宮崎駿は松任谷由実のファンで、1989年公開の『魔女の宅急便』で「やさしさに包まれたなら」と「ルージュの伝言」を挿入歌に起用している。本作での「ひこうき雲」の起用にあたっては、本作発表に先立つ『魔女の宅急便』ブルーレイディスク化記念イベントにて、プロデューサー鈴木敏夫と松任谷が同席し、松任谷のベスト・アルバムに収録の「ひこうき雲」を宮崎が気に入っていることを明かして本作へのオファーを発し、また松任谷も「このために40年やってきたのかなというくらいうれしい。だって私のデビューアルバムの曲ですから。もう後にはひけませんよ（笑）」と応じている。宮崎は、後日の完成報告会見で同曲起用について「力のある歌です。空想で作った歌じゃない、胸にしみるものがあって生まれた歌だと思った」と述べている。
スタジオジブリの鈴木敏夫に対して、アニメーション監督の庵野秀明が「零戦が飛ぶシーンがあるなら描かせてほしい」と申し入れている。仮に庵野の参加が正式決定していれば、1984年公開の『風の谷のナウシカ』以来の宮崎作品への参加となるはずだった。しかし、宮崎は、作画スタッフとしてではなく本作の主人公として出演するよう、庵野に要請した。庵野は困惑しつつもオーディションを受けたが、その直後に宮崎から改めて出演を依頼されたため、庵野も出演を受諾した。宮崎は主人公のイメージとして「早口である」「滑舌がよい」「凛としている」の3つを挙げており、庵野を選んだ理由として「いい声だからでなく、存在感で選んだ」としている。なお、庵野にとって声優参加作品としては『フリクリ』のミユミユ役以来、主演映画作品としては『帰ってきたウルトラマン マットアロー1号発進命令』以来となる。
2012年12月の記者会見においては、高畑勲が監督したスタジオジブリの『かぐや姫の物語』も、同日公開の予定と発表されていた。宮崎と高畑の映画が同時期に公開されるのは、1988年に『となりのトトロ』と『火垂るの墓』が2本立て同時上映されて以来だが、今回は同時上映ではなく個別に上映される予定となっていた。しかし、『かぐや姫の物語』は2013年に入っても絵コンテが完成しなかったことから、同作は公開時期を延期し、同年秋に公開されることとなった。
映画『崖の上のポニョ』の製作を終え一段落したことから、宮崎駿は『モデルグラフィックス』に漫画を連載することとなった。宮崎は「この漫画はいわば趣味として描いていたもの」と語るなど、漫画版を連載し始めた当初は、本作を映画化することは全く考えていなかった。その後、鈴木敏夫が映画化を提案したが、宮崎は本作の内容が子供向けでないことを理由に反対していた。宮崎は「アニメーション映画は子どものためにつくるもの。大人のための映画はつくっちゃいけない」と主張していたが、鈴木は戦闘機や戦艦を好む一方で戦争反対を主張する宮崎の矛盾を指摘し「矛盾に対する自分の答えを、宮崎駿はそろそろ出すべき」と述べて映画化を促した。映画版の企画書の中で、宮崎は製作意図について「この映画は戦争を糾弾しようというものではない。ゼロ戦の優秀さで日本の若者を鼓舞しようというものでもない。本当は民間機を作りたかったなどとかばう心算もない。自分の夢に忠実にまっすぐ進んだ人物を描きたいのである」と述べている。実際のエピソードを下敷きにしつつもオリジナル要素を盛り込んだストーリーが展開されるため、堀越の遺族に対して事前に相談し了解を得ている。主人公の性格など人物像にもオリジナル要素が盛り込まれているが、その点についても堀越の息子は「そんなことは無論構わない」と快諾した。なお、宮崎が監督した作品で、実在の人物を主人公とするのは初めてである。また、主人公のモチーフには、宮崎の父の人生も反映されている。宮崎の父は、幼いころに関東大震災に遭い、その後零式艦上戦闘機や月光の風防などを製造する会社の経営に携わり、のちに前妻を結核で亡くしている。これらをモチーフとすることで、本作の主人公像が作られていった。
現在はテーマパーク「ユニバーサル・スタジオ・ジャパン」となっている場所にあった日立造船株式会社桜島工場の第4,068番船として建造されたが、本造船所にとって青函連絡船建造は初めてであった。建造方式は他の津軽丸型同様、既に当時広く普及していたブロック工法で、これは予め工場で分割製作した船体ブロックを船台上で電気溶接して繋いでゆく工法であった。複数のブロックを同時に製作できるため工期短縮ができたが、溶接により熱せられた鋼板が冷却とともに縮むことを念頭にブロックを船台上に搭載する「位置決め」が重要であった。さらに車載客船では、その複雑な構造のため溶接使用量が多く、比較的薄い鋼板を用いたこともあり、溶接による歪の発生が多発し、歪取り作業が増加して船体収縮や船体変形の傾向を強めた。しかし船体の長さが計画より縮むことは、鉄道車両を積載する船内軌道の有効長が縮むことになり、これは計画した車両数を積載できなくなることを意味する。このような困難な課題を克服しながら、羊蹄丸は計画通りの寸法で完成することができた。なお積載車両数は、左舷側の船1番線から、ワム換算で12両、14両、10両、12両の合計48両であった。機関はスクリュー1軸あたり4基のディーゼルエンジンを配置してギヤで出力と統合してスクリューシャフトを駆動していた。また大雪丸（2代）・摩周丸（2代）同様、本船でも搭載主機械と主発電機の機種が津軽丸型第3船までと異なり、機関部全体で約100トンの重量増加となって、船体の一層の軽量化が求められた。このため、溝形プレスを施した薄鋼板“ハット・プレート”（コルゲートプレート）を航海甲板の甲板室外板へ広く採用し、外観上の特徴となった。ほぼ同時並行建造の摩周丸（2代）同様、車両甲板プラットホームから2等出入口広間への階段設置や、航海甲板後端後部消音器室後ろ側への歩行スペース拡張、鎖レバー・ブロック式甲種緊締具の部分導入も行われた。当時最先端の自動化・遠隔操縦化を導入し、運航定員を先代の半数以下の53名とした。津軽丸型は年間3隻のペースで連続して建造され、当初、6隻目の本船が津軽丸型最終建造船となる予定で、シリーズ最終船として、本船のみ船名のイニシャルを前部マストに表示しなかったとされたが、後に十和田丸（2代）が追加建造され、7隻となった。