本作のプロデューサーを務めた、野中竜太郎とチーフプロデューサーの西野陽によると、構想は発売の4・5年前からあり、元々はプレイステーション2向けの企画であった。その時から既にキャラクター原案の本庄雷太や、音楽を担当した崎元仁とはコンタクトをとっていた。その後、2005年に主要スタッフが集まり、本格的な開発が始まったのは2007年だと野中は語っている。開発スタッフは「サクラ大戦シリーズ」を制作した旧オーバーワークス。元々この開発チームはストーリー性を持つタイトルを手掛けており、新たに強いドラマ性を持つタイトルを作ろうと考えた結果、人の絆が最も強く描かれる舞台として戦場が選ばれた。しかし、戦争モノに対して苦手意識のあるユーザーにも抵抗がないように舞台背景は架空のヨーロッパとして設定され、作風にはファンタジーの要素が加えられている。キャラクター原案には本庄雷太が起用されているが、スタッフによるとこれはミリタリー面での機能性を持たせつつ、フィクションとしての嘘も描くことのできる人物を選んだ結果である。レトロ感を出すために作中の軍服は第一次世界大戦時の軍服を参考にデザインがなされている。グラフィックエンジンには「CANVAS」という水彩画風のイラストが動いているかのような表現方法ができるものを採用している。この「CANVAS」は郭線から色がはみ出たり、遠くにあるものは稜線がかすんだり、輪郭が歪んだりするもので、写実的なCGを用いた作品とはまったく別のテイストを醸し出している。制作途中に新世代ハードのPS3が登場したことにより映像表現力が上がり、「CANVAS」の完成に至った。「CANVAS」を開発したのはセガの画面表現を研究しているチームで、そのチームの研究が本作で使えるのではないかと考えた結果セガ社内で検討され「CANVAS」が採用された。音楽は崎元仁が担当しており、軍隊を連想させるマーチ的なリズムやトランペットのソロを入れつつファンタジー感のある仕上がりとなったと野中は語っている。演奏はエミネンス交響楽団によるフルオーケストラである。また、作中では挿入歌としてロージーを演じる豊口めぐみが歌う『受け継がれる想い』（作詞 - 佐藤太平 作曲 - 崎元仁）が流れるほか、JUJUが歌う『どんなに遠くても…』（作詞 - JUN,T 作曲 - 川口大輔 編曲 - CHOKKAKU）が主題歌としてオープニングやエンディングで流れる。余談だが、制作チームが同じであるため『エターナルアルカディア』の主人公・ヴァイスとヒロイン・アイカも志願兵（プレイヤーキャラクター）として、ファイナが衛生兵（NPC）として本作に登場（ゲスト出演）している。なおサブキャラクターは本作の声優が兼任しており、ヴァイスの声優も関智一ではなくなっている。なお、本作の最初のタイトルは『戦場のワルキューレ』であったが、ナムコ（現・バンダイナムコエンターテインメント）がかつて発売していたファミリーコンピュータ用ゲーム『ワルキューレの冒険』が存在していた都合で、変更された経緯がある。
初代モデルは5代目ワゴンRで初採用された「スズキグリーンテクノロジー」が導入され、「パレット」の一部グレードで既に導入されていたアイドリングストップシステムは全車標準装備した上で改良を行い、停車前の減速時にアクセルペダルを離した段階からガソリンの供給をカットし、ブレーキペダルを踏んで時速が13km以下になると自動でエンジンを停止することでアイドリングストップ時間を延長。ブレーキペダルを離す、ステアリングを操作する、「アイドリングストップOFFスイッチ」を押すのいずれかの動作でエンジンの再始動が可能である。併せて、坂道発進時には後退を抑制するヒルスタートアシストも装備される。また、元々アイドリングストップシステムに搭載している鉛バッテリーに加えて高効率リチウムイオンバッテリーも搭載され、オルタネーターを高効率・高出力化したことで減速時に発生するエネルギーを発電・充電し、蓄えた電力をオーディオやメーターなどの電装品に供給することで発電に使用するガソリン使用量を最小限に抑える「ENE-CHARGE（エネチャージ）」や空調ユニットに冷房運転時に凍る蓄冷材を搭載することでアイドリングストップ中に送風運転に切り替わっても冷風を送ることが可能で、室温上昇によるエンジン再始動を抑える効果もある蓄冷技術「ECO-COOL（エコクール）」も搭載された。エンジンは「パレット」に採用していたK6A型から小型・軽量設計のR06A型（ターボ車は同仕様のインタークーラーターボ）に置換し、ボディに最高1180MPa級の高張力鋼板板を全体の約42%に採用。さらに、ドアパネルやシートフレーム、ルーフ、ラジエーター（16 mm 厚→11.5 mm 厚）、サスペンションなど徹底した軽量化が行なわれ、特に「G」の2WD車は全高1,700mm以上の軽トールワゴンでは最軽量となる840kgを実現した。なお、フロアサイドメンバーの高張力鋼板には新日鐵住金（現・日本製鉄）製が使用されている。後期型では、これまで搭載していた「エネチャージ」に替わり、5代目・後期型ワゴンRやハスラーの一部グレードに装備されている「S-エネチャージ」を新たに搭載された。スペーシア用の「S-エネチャージ」はハスラー用と同じく、ISG（Integrated Starter Generator、モーター機能付発電機）のモーターアシスト時間を最長30秒間に、モーターアシストの速度域を発進後〜約85km/hに向上してモーターアシストの時間と頻度を増やした改良型が搭載されている。同時に、エンジンも8代目アルトから採用されている、11.5の高圧縮比、エキゾーストマニホールド一体型シリンダーヘッドの採用、触媒ケースの簡素化などを行い、ISGの搭載に合わせて補機ベルトシステムを変更した改良型が採用された。2015年8月にはターボ車も「S-エネチャージ」に変更されたが、モーターアシストの速度域が発進後～約100km/hに拡大されている。プラットフォームは3代目MRワゴンや5代目ワゴンRと同じ2,425mmのロングホイールベースが特徴の新プラットフォームが採用されており、インパネの内部構造やレイアウトの工夫により、室内長は2,215mmを実現した。「G」は13インチタイヤを採用したことで、ロングホイールベースながら最小回転半径4.2mをとしたことで取り回しの良さも実現している。2代目では、6代目ワゴンR/4代目ワゴンRスティングレーで採用された、最長10秒間、モーターによるクリープ走行を可能にするマイルドハイブリッドシステムとなったほか、プラットフォームに「HEARTECT（ハーテクト）」が採用されたことで、ホイールベースが35mm拡大された。