2006年5月9日にJAXA理事会で正式に承認。競合案件は次期X線天文衛星とソーラー電力セイルミッションであったが、事前にVSOP-2を推薦する方向で調整を行った。VSOP-2が推薦された理由としては、工学試験衛星「はるか」の記録映像が、科学技術映画賞を受賞することになり、また、スペースVLBI計画を実施できているのが日本だけのため、各国からも注目を受けていたという経緯があった。同年7月11日に宇宙開発委員会で計画の事前評価が行われ、妥当であると判断された。国会で2007年度（平成19年度）予算として承認され、開発が決定した。2007年度から開発が開始。基本仕様による入札が終わり、衛星本体開発メーカとの間で仕様調整が行われ、国立天文台では運用関連のソフトウエア整備や衛星の心臓部ともいえる受信装置の開発を、宇宙科学研究本部では、本体搭載機器の開発を実施した。基本は、きく8号と同じ仕様であるが、目標周波数が高いため、メッシュ構造についても高い精度を目指した開発が行われる予定だった。しかし2009年、アンテナ鏡面が要求精度に達しないという技術的課題が判明。同年に予算が停止、2010年度予算はゼロとなり、プロジェクトは中断状態となった。この間に課題の検討が進められたところ、達成可能な鏡面精度では予定された成果は得られず、科学的目標を妥協してもなお開発資金と期間が予定を大幅に超えるとの結論に達した。2010年12月には計画を主導する宇宙科学研究所がASTRO-Gの中止を判断。その後プロジェクト中止へ向けて準備を進め、2011年8月24日の宇宙開発委員会において、JAXAからASTRO-G計画の中止が提案された。そして2011年11月30日の宇宙開発委員会の結論を受け、正式にプロジェクトの中止が決定された。
「はるか」ではM-Vロケットによる打ち上げだったために比較的小型の衛星であったが、ASTRO-GはH-IIシリーズロケットで打ち上げるために衛星搭載機器を増すことができた。その分電力等で余裕を持った設計となり、「はるか」では地球の影による観測停止等で観測の難しかった期間がなくなるため、24時間連続運用が可能になる見込みであった。
「はるか」では観測周波数は主に5GHz、最大22GHzであったが、当機では最大43GHzでの観測に対応する。これにより38マイクロ秒角の空間分解能を実現する。また「はるか」では不可能だった左右両偏波観測に対応する。
当機の主鏡は軌道上展開式の9m口径電波反射鏡である。観測波長がミリメートルオーダーであるため、反射鏡は金メッキされたメッシュで構成される。7個の小さなモジュールが組み合わさって大きな反射鏡を構成する構造になっており、これにはきく8号（ETS-VIII）の技術が使われる。ただし個々のモジュールはきく8号ではモリブデン線であったが、鏡面精度を上げるためこれをタングステン線に替え、表面を金メッキする。
撮影は5月9日にクランクイン。主人公の春海を演じる北川景子はあえて原作を読まずに監督の脚本だけを読み、撮影に臨んだ。そして作品の前半でいかにお客さんが春海に共感できるか、いかに春海目線で物語を見られるかがすごく大切だと思ったため、表情や芝居にリアリティーを持たせることを重要視した。また、女心の怖さや女同士の嫉妬をはじめとする感情といった部分は監督が男性ということもあり、北川の意見が尊重されたという。アクションシーンについてもアイデアを出し合い、このことについて監督は、「妙な馴れ合いがなく、初めて主役の人とガチンコでぶつかって真剣勝負ができ、お互いのイメージを高めあった。そういう仕事ができて楽しかった。」と語っている。一方の西村麗子を演じる深田恭子は多重人格という役どころについて、穏やかな面と残酷な面というあまりにも違う麗子を演じなければならなかったため自分の手に余り、どのタイミングでどんな表情をするのか、どの言葉で別の顔に変わるのかなど、監督と相談しながら演出されるがままに演じたと話すが、一緒に撮影していた北川は「大変なシーンでは深田さんのほうから監督にアイデアを出していて、芯の強さや意志の強さが垣間見え、やっぱりすごい女優さんなんだなと思いました。」と大絶賛。深田自身は監督のアドバイスの中で、「麗子の中の別人格はすべて彼女を守ろうとして生まれた人格だから、別に意地悪をしたいわけではない。好きだからこそ守りたいというベースを持っていて下さい。」と言われたことに特にハッとさせられたと話している。主演の北川景子と深田恭子は初共演となるが、北川は相手役が大先輩である深田に決まった時に飛び上がって喜んだということもあり、痛烈なセリフの応酬や大量の血糊を使った血まみれバトルシーンとはうらはらに、撮影現場ではとても仲良く過ごしていたという。そんな2人を見て監督は「見どころは女優2人の変貌ぶり。現場ではすっかり頼り切ってしまった。」と話し、共演した高良も舞台挨拶で「2人はすごく仲が良いのに、本番が始まるとバチバチして、終わったら『大丈夫？』って。見てて怖いなと思いました。」と語り、会場の笑いを誘った。劇中ではバトルシーンのようなぶつかりあうものだけではなく、キスシーンや、仲良くルームシェアをするシーンもあり、北川は「信じられないくらい毎日楽しかった。」と話し、深田も「最初のルームシェアのシーンが1番好き。こんなに幸せでいいのかと思うくらい楽しかった。」と撮影を振り返っている。2人がルームシェアをするマンションは横浜近辺を想定し、内観の撮影は東映東京撮影所に建てられたセット内で行われた。美術監督の清水剛によると、部屋のコンセプトは”年季をポイントに効かせたノスタルジックで昭和テイストの古めかしい雰囲気”で、わざと部屋に日焼け跡をつけたり、レトロなテレビや古いポラロイドカメラを小物として飾るなどの工夫がされている。その他、ロケ地としては茨城県水戸市の水戸赤十字病院や栃木県足利市の市役所別館（病院のチャリティーコンサート会場）、宇都宮市の宇都宮大学峰ヶ丘講堂（講演会シーン）などの他、深田の地元でいつも通っていたという都内近郊のトンネルでも撮影された。