脚本完成以前の段階でシンガーとの常連コラボレーターであるジョン・オットマンが編集技師・映画音楽作曲家として雇われた。オットマンは以前のインタビューで1978年の映画でのジョン・ウィリアムズの音楽が自身が音楽家になるために決定的な影響を与えたと述べている。
撮影にはパナビジョンのジェネシス・デジタル・カメラが使われた。プロダクションデザイナーのガイ・ヘンドリックス・ディアスは、デイリー・プラネット社をデザインするためにフランク・ロイド・ライトのジョンソン・ワックス社の影響を受けた。視覚効果シークエンスは当初はESCエンターテインメントがデザインする予定であったが、ワーナー・ブラザースは代わりにソニー・ピクチャーズ・イメージワークスのマーク・ステットソンを視覚効果スーパーバイザーとして雇われた。視覚効果ショットは合計で1400個作られた。スーパーマンがボーイング777を野球場に降ろす場面はエキストラを集めるのが困難だったためにCGIで作り上げられた。合成用の映像を撮るために第二班スタッフがドジャー・スタジアムを訪れた。『スーパーマン』（1978年）からマーロン・ブランドの出演箇所が流用され、リズム&ヒューズ・スタジオがCGIを使って再構成した。オープニング・クレジットは『スーパーマン』と同様のスタイルとなっており、ジョン・ウィリアムズによるテーマ音楽が使われた。
ワーナー・ブラザースはオーストラリアのクイーンズランド州ゴールドコーストのワーナー・ロードショー・スタジオでの撮影を考案した。撮影後、隣接するテーマパークのワーナー・ブラザース・ムービー・ワールドでアトラクションとして使おうとしたが、高額すぎるためにこのアイデアは破棄された。セットの建造は2005年6月にフォックス・スタジオ・オーストラリアで始まった。世間の注目を避けるため、撮影所では『Red Sun』というワーキング・タイトルが使われた。主要撮影は2005年3月末から11月まで行われた。『スーパーマン リターンズ』の撮影によりニューサウスウェールズ州で数千人の雇用が形成され、1億ドルの経済効果を生み出した。撮影の80%はフォックス・スタジオ・オーストラリアで行われ、9つのサウンド・ステージが占有された。タムワースはスモールビル、オーストラリア博物館はメトロポリス自然史博物館の場面として撮られた。
監督でプロデューサーのブライアン・シンガーは『X-MEN2』（2003年）の撮影中に「スーパーマンが5年ぶりに地球に戻ってくる」ストーリーを考案した。彼はアイデアをローレン・シュラー・ドナーとその夫で『スーパーマン』の監督のリチャード・ドナーに提示した。ドナーは好意的な反応でシンガーのアイデアを受け入れた。2004年3月、ワーナー・ブラザースは2006年6月の劇場公開を目指して『Superman: Flyby』のプリプロダクションを始めていた。マックGがJ・J・エイブラムスによる脚本を監督する契約を交わしたが、2004年6月に降板した。同月にワーナー・ブラザースはシンガーに接近した。彼は『X-MEN2』のマイケル・ドハティとダン・ハリスに脚本執筆を依頼し、3人はドハティとハリスが休暇で訪れていたハワイで映画トリートメントを書き始めた。2004年7月、シンガーは監督契約を交わし、『スーパーマン リターンズ』の企画に入った。シンガーはコミックのファンではなかったがドナーによる1978年の映画に感銘を受けており、ドハティとハリスによる脚本もその影響を受けている。シンガーはこの契約のため、『X-MEN: ファイナル ディシジョン』（2006年）と『2300年未来への旅』のリメイク企画から降板した。『スーパーマン リターンズ』はワーナー・ブラザースとレジェンダリー・ピクチャーズが50%ずつ出資し、2004年11月にプリプロダクションが始まった。2005年2月までにドハティとハリスは6稿目を書き終えていた。初期段階の脚本ではアメリカ同時多発テロ事件の要素が入っていたが、後に削除された。
かつて映画会社吉沢商店が出資した映画雑誌『活動写真界』（1909年 - 1913年）の寄稿者で、1917年に『活動写真劇の創作と撮影法』（正光社）という映画理論書を出版した帰山教正（1893年 - 1964年）が同年、天然色活動写真（天活）輸入部へ入社、海外に輸出できる映画を目指し、1919年、同社で『日本芸妓の踊り』（撮影大森勝）を撮った後に26歳で独立。大正9年（1920年）、「天活」と提携するかたちで設立したのが「映画芸術協会」である。帰山は1919年（大正8年）に、実験作『深山の乙女』および『生の輝き』を制作。天活の配給により、1919年9月13日に同日公開された。『深山の乙女』に出演した花柳はるみは日本の映画女優第一号であり、同作は日本映画史上初めて「女優」を起用した伝説の作品となった。帰山の実験映画は弁士が必要ないように字幕を入れたのも特徴であり、字幕担当者名が作品にクレジットされていた。『深山の乙女』では、戦後まで活躍する撮影技師となった当時天活社員の青島順一郎が、撮影も担当した帰山の助手をつとめている。また、のちに映画監督になる村田実が出演しているが、これが村田初めての映画体験であった。翌1920年（大正9年）に製作した第三作『白菊物語』で、帰山は「映画藝術協會」を名乗り、日本初の芸術映画プロダクションとして始動する。以降1924年までに、帰山監督作13本、近藤伊与吉・津田秀水共同監督作1本、青山杉作監督作1本、押山保明監督作2本の合計17本が製作されたが、概して興行的には振るわなかった。また間の1921年、その新しい手法を取り入れるべく松竹蒲田撮影所が帰山を監督として招いたが、『愛の骸』は東京で上映中止、『不滅の呪』は未完に終わった。1924年12月26日に公開された『自然は裁く』を最後に、同社は製作活動を停止した。