撮影は2013年7月6日に始まった。2013年7月20日、コミコン・インターナショナルにて、リー・ペイスがロナン・ジ・アキューザー、カレン・ギランがネビュラ、ベニチオ・デル・トロがコレクターを演じ、さらにジャイモン・フンスーがコラスにキャスティングされたことが明かされた。また後にグレン・クローズがノバ・プライムを演じることが明かされた。またコミコンでケヴィン・ファイギはサノスが「マスターマインド」として映画の一部を担うと述べた。2013年8月11日からはロンドンのミレニアム・ブリッジでの撮影が始まった。2013年8月30日、マーベルはブラッドリー・クーパーがロケットの声を務めることを公式に発表した。2013年9月3日、ガンは撮影の半分以上が完了していることを明かした。9月5日、ヴィン・ディーゼルはグルートの声を務めることを明かした。しかしながらマーベルはこの時点ではディーゼルの関与を認めなかった。2013年10月12日、ガンは撮影の完了をソーシャルメディア上で明かした。
2009年にマーベルの脚本執筆プログラムに登録されていたニコール・パールマンは脚本の原作にあまり知られていないものを提供された。SFに関心を持っていたためにパールマンはこのうちダン・アブネットとアンディ・ランニングの『ガーディアンズ・オブ・ザ・ギャラクシー』を選んだ。パールマンは草案の執筆に2年を費やし、『ガーディアンズ』の世界に身を浸した。2011年後半にパールマンは別の草案の執筆を依頼され、2012年初頭にはジェームズ・ガンが脚本協力のために雇われた。ガンは脚本を書き直し、マーベルに自分のアイデアを伝えるために映画『特攻大作戦』を使った。ガンは後にパールマンの草案が撮影で使った脚本とは、ストーリー、キャラクターの設定が全く異なり、ウォークマンも存在しなかったことを明かした。彼は「ニコールの脚本は全てがかなり異なっている。（中略）それは同じものではない。だがそれがWGAが働くきっかけだ。彼らは最初の脚本家が好きだから」と述べた。2012年8月、マーベル・スタジオはパールマンの脚本の書き直しのためにクリス・マッコイが雇われたが、製作クレジットはされておらず、最終的な脚本への貢献度は不明である。
マーベル・スタジオ社長のケヴィン・ファイギは2010年のコミコン・インターナショナルで「まだ『ガーディアンズ・オブ・ザ・ギャラクシー』のような確定していないタイトルがいくらかある。私は彼らが最近コミックで楽しく再創造されたと考えている」と述べた。『エンターテインメント・ウィークリー』2011年11月号のインタビューでファイギは「『マイティ・ソー』でも仄めかされたが、（マーベル・）ユニバースのコズミック・サイドで大きな叙事詩をやる機会がある」と述べた。また彼は『X-メン』や『アベンジャーズ』と同様のキャラクターの群像劇を備えた映画であるべきであると付け加えた。2012年のコミコン・インターナショナルのマーベル・スタジオのパネルでファイギは企画が進行中であり、2014年8月1日公開予定であることを正式に発表した。彼はドラックス、グルート、スター・ロード、ロケット、ガモーラが描かれたコンセプトアートが公開し、完全なチームものであることを明かした。8月、マーベル・スタジオは脚本書き直しのためにクリス・マッコイを雇った。同月末、ペイトン・リード、ライアン・フレックとアンナ・ボーデンといったほかの候補たちを破ってジェームズ・ガンが監督する交渉に入った。『アベンジャーズ』の監督であるジョス・ウェドンは『アベンジャーズ』の続編に繋がる全ての映画でクリエイヴリー・コンサルタントを務める契約を交わしており、『ガーディアンズ・オブ・ザ・ギャラクシー』ではガンを監督に選ぶのに熱心であった。
ハリウッドの中でも数々のヒット作を持つジョニー・デップだが、そのギャラや年収も破格である。2008年6月、経済誌『フォーブス』が発表した2007年6月から2008年6月までの1年間の中で映画出演を含めたあらゆる仕事でハリウッドにおいてもっとも稼いだスターを発表したランキングで、デップは72億円を稼ぎランクインしている。同誌の2009年度に発表されたランキングでも約27億円を稼ぎ、俳優部門で第10位にランクインしている。2009年11月、BANG Media Internationalによると、パイレーツ・オブ・カリビアン第4弾『パイレーツ・オブ・カリビアン/生命の泉』に2,100万ポンド（日本円で約31億円）のギャラで出演することを決めた。この高額なギャラをディズニーが支払えるのは、3作目まで出演していたオーランド・ブルームやキーラ・ナイトレイなどが4作目には出演しないと明言しているため、その分のギャラが浮いたためではないかといわれている。2010年9月、『フォーブス』誌が2009年からの1年間で「もっとも高額なギャラを獲得したハリウッドの俳優」のランキングを発表し、5,000万ドル（約42億5,000万円）以上を稼いで1位にランクインした。2010年2月、米『バニティー・フェア』誌が2010年に「もっとも稼いだ映画関係者トップ40」を発表し、デップは1億ドル（日本円で約80億円）を稼ぎ、2位にランクインした。内訳は世界中で大ヒットを記録した映画『アリス・イン・ワンダーランド』の出演料が4,000万ドル（日本円で約32億円）、映画『パイレーツ・オブ・カリビアン/生命の泉』の前払い金が3,500万ドル（日本円で約28億円）、アンジェリーナ・ジョリーと共演した映画『ツーリスト』が2,000万ドル（日本円で約16億円）、残りが過去作からの収入となっている。2011年8月、『フォーブス』誌が2010年の5月1日から2011年5月1日までの1年間で「もっとも稼いだハリウッド俳優」のランキングを発表し、推定5,000万ドル（日本円で約40億円）を稼いで2位にランクインした。金遣いが非常に荒く、2017年には、浪費による散財のせいで破産が報じられた。また、マネージャーを解雇したことも報道され、破産をめぐってはデップはマネージャーの違反行為があったと主張しており訴訟騒動にまでなった。