主要撮影は2018年1月15日にイングランドのロンドンで始まった。撮影開始から9日後、レジェンダリーは主要撮影の開始を公式発表した。プレスリリースではアレックス・ハーシュは脚本の最終稿には関与しておらず、ニコール・パーマンとロブ・レターマンのみがクレジットされていることが明らかとなった。撮影に当たり、ジャスティスはピカチュウの代わりに重みのある人形を肩に乗せて演技し、アニメーターがジャスティスの動きに合わせてピカチュウのアニメーションを調整した。
2017年11月、ジャスティス・スミスが人間の主人公にキャスティングされ、さらにキャスリン・ニュートンが読み合わせとテストを経てスミスの相手役に決まったことが発表された。ニュートンはナタリア・ダイアー、ヘイリー・ルー・リチャードソン、キャサリン・ラングフォードとこの役を争った。12月、ライアン・レイノルズがモーションキャプチャでピカチュウを演じることが発表された。レイノルズの他にはドウェイン・ジョンソン、マーク・ウォールバーグ、ヒュー・ジャックマンが候補に挙がっていた。2018年1月、渡辺謙、ビル・ナイ、クリス・ギアがキャストに加わった。2月、さらにスキ・ウォーターハウスとリタ・オラがキャストに加わった。4月、オマール・チャパーロも追加された。日本語吹き替えには、主人公・ティム役に竹内涼真、ヒロイン・ルーシー役に飯豊まりえ、そしてもう一匹の主人公ピカチュウ役に西島秀俊が起用された。竹内は映画本編にもポケモントレーナーの一人としてカメオ出演している。なお、その他の日本語吹き替え声優には、アニメ版ポケットモンスターでメインキャラクターを演じている声優が何名か起用されており、一部のポケモンの声はアニメ版と同じ声優が演じている。
2016年4月、『ハリウッド・リポーター』はワーナー・ブラザース、ソニー・ピクチャーズ、レジェンダリー・ピクチャーズが『ポケットモンスター』の実写映画化権を巡って交渉中であることを報じた。2016年7月、Deadline.comは『Pokémon GO』の成功後にレジェンダリーとの契約締結が現実味を帯びたことを報じた。7月20日、Deadlineはレジェンダリーとポケモン社が『ポケットモンスター』シリーズ史上初の実写映画の契約を交わし、それが『名探偵ピカチュウ』を原作としたものになると報じた。脚本はマックス・ランディスが執筆し、日本以外での配給はレジェンダリーと契約中のユニバーサル・ピクチャーズが担当すると報じられた。8月16日、ニコール・パールマンとアレックス・ハーシュが脚本執筆のためレジェンダリーと交渉中であることが報じられた。11月30日、レジェンダリーがロブ・レターマンを監督として雇い、2017年から製作が始まり、日本ではこれまでのポケモン映画と同様、東宝が配給することが報じられた。
21歳のティムは、長い間会っていなかった父ハリーが事故で亡くなったという連絡を受け、人間とポケモンが共存する街・ライムシティを訪れた。探偵業を営んでいたハリーの部屋で、ティムは1匹のピカチュウと出会う。なぜかティムにはそのピカチュウの声が成人男性のものに聞こえ、話す内容も理解することができた。ピカチュウは自らが記憶喪失であることを明かし、自分はハリーのパートナーだったはずであること、自分が生きているのだからハリーも生きているに違いないことをティムに訴える。ティムとピカチュウは、新米記者ルーシーの協力のもと、ハリーが事故の前に追っていた謎の薬品を巡る事件について調べ始める。
右の紋章は、バイエルン王国を支配し、そのバイエルン大公の地位を独占したヴィッテルスバッハ家のものである。アージェント（銀色）とアジュール（青色）の斜めに傾けた（ベンドワイズの）フュージリーとなっている。この紋章は、現在のドイツ・バイエルン州の州旗となっており、バイエルンを発祥とする航空機用エンジン・メーカーから自動車メーカーとなったBMWのロゴマーク（エンブレム）のデザインの一部となっている。
ロズンジの形は、葬送の際に用いられるハッチメント（忌中紋章） にも使われる。これは、男性と女性の両方に用いられる。ハッチメントは、黒く塗りつぶしたロズンジの中に死者の紋章を描いたものである。右のハッチメントはベルギーのものであるが、ロズンジの上方の頂点近くに「誕生」を意味するラテン語の natus という言葉を置き、紋章の左方に誕生日の月日だけの日付、右方に生まれた年を西暦で書いてある。また、下方には同じくラテン語で「死去」を意味する obiit という言葉とともに死去した年月日（忌日）が書いてある。ベルギーの公用語はオランダ語、フランス語及びドイツ語であるため、公用語にかかわらずラテン語を使っていることがわかる。このハッチメントで示された人物は1916年10月7日に生まれ、2004年1月7日に死去したことを表している。
ソビエト連邦は大祖国戦争において、ドイツの戦車に対抗する対戦車砲として76.2mm口径のZiS-3 76mm野砲とA-19 122mmカノン砲などの重砲を使用していたが、クルスクの戦いで実戦デビューしたパンター中戦車やティーガーI重戦車に対抗するにはZiS-3では特にティーガーに対して威力不足であった。旧式のZiS-2 57mm対戦車砲やA-19ならばティーガーの装甲を貫通可能であったので、ZiS-2の生産が急遽再開されたが、小口径長砲身の砲身ゆえに調達コストが高過ぎて十分な数を揃えることができず、A-19などの重砲は重量過大であり、機動力に欠け運用性が低かった。さらに、当時のソ連では、無反動砲や対戦車ロケットランチャーなどのHEAT弾頭を利用した携帯可能な対戦車兵器の開発が遅れていた（HEAT弾自体は、榴弾砲などの火砲用に製造されていた）ため、ZiS-3よりも高威力でありながらA-19などよりも軽量な対戦車砲を必要としていた。この要求に基づいて開発されたのが、BS-3 100mm野砲とD-44 85mm野砲である。