本作の舞台となる群島国家「クレモナ」は、イタリアのクレモナやキューバの市街地などがモデルとなっている。王立警察の建物は新旧の建物が混在する地域にあるという設定から、様々な建築様式が融合したような外観となった。また、王立警察特殊犯罪捜査課の部屋のうち、広さと照明はProduction I.Gの制作現場が、内装は三菱一号館内のカフェ「Café 1894」がモデルとなっている。リリィの実家であるバイオリン工房は、昼間は自然光と床からの光の反射によって暖かな雰囲気が出された一方、夕方から夜間の場面では、仕事をするには暗すぎるほど照明が抑えられた。
本作において、中澤一登は、原作、監督、キャラクターデザイン、総作画監督を務めた。このうち、監督は山川吉樹との共同監督という形をとっており、中澤は山川を起用した理由について「仕事量を考えた結果、保険ではないがいざというときにケアできる体制をとりたかったことと、世に出す前に誰かに確認してもらいたいと思い、自分とは全く異なるタイプの人に見てもらった方がよいと判断した」と、ねとらぼとのインタビューの中で述べている。本作のストーリーは、あるテレビ番組において、フェラーリの修理工が「なぜフェラーリは複雑な作りなのか」という質問に対して「複雑に作れるからだ」と答えたことに着想を得たものである。中澤は「本作の根底は単純だが、それに複雑な着物を着せたら面白いかなと思った」とねとらぼとのインタビューの中で述べており、人間関係がこねくり回されるアニメを見たことがなかったことも本作を作るきっかけだったとも述べている。本作のモチーフを「黒」にした理由について、中澤一登は「様々な色が混ざると黒になる感覚が面白いと感じた」と複数のメディアの取材に対して述べている。
群島国家「クレモナ」では、凶悪犯罪者ばかりが殺される事件が発生しており、犯人は現場に「B」を刻むことから、「Killer B」という通称がつけられていた。天才捜査官として知られるキース・フリックは王立警察特殊犯罪捜査課（通称「RIS」）へと戻り、「Killer B」の謎を追う。一方、キースの同僚である星名リリィの実家のバイオリン工房には、黒羽という少年が職人見習いとして出入りしていた。異形の姿へと変ずる力を持つ黒羽は、ある人物を探すべく夜の街を駆け回っていた。テロ組織「マーケットメイカー」のリーダーである皆月は、ある憎しみをもって黒羽を追っていた。
高取焼は時代によって、全く毛色が違っている。高取焼草創期の「古高取」の中でも、特に「内ケ磯窯」は豪放かつ大胆な織部好みの意匠で、ロクロによって成形された真円にヘラで歪みを加えており、今日の視点から見れば芸術性豊かで興趣をそそる志向があるが、その奥に隠された思想により御用窯廃絶の憂き目に遭遇する事になった。後の「遠州高取」になると器は端正になり、古高取とは対照的に瀟洒、風流人好みの作品が焼かれるようになった。「小石原高取」の頃になると技術は爛熟し、「遠州高取」より更に繊細な作風となっている。なお、小石原高取は民窯の小石原焼に多少の影響を与えている。今日の作風は小石原高取以後の技法で、使用する釉薬は多い。個性的な釉薬が多く、高取黄釉、春慶釉、高宮釉、道化釉、ふらし釉、真黒釉などがある。
前作『メビウス&兄弟』は前評判が好調であったことから、公開前の2006年夏の時点で次作品についての検討が始められた。その中で、『メビウス&兄弟』では神戸とタイアップを行ったことが制作や宣伝に効果的であったことから、本作品では2009年に開港150周年を迎える横浜市を舞台とすることが提案され、同年秋に映画製作が正式に決定された。方向性が決まる以前には、ウルトラマンタロウを主役に『ウルトラマンメビウス&ウルトラ兄弟2』のタイトルで企画された。長谷川圭一が執筆したプロットには、タロウの他にメビウスや本作にも登場する4兄弟（ウルトラマン、セブン、ジャック、エース）、前作に登場しなかったウルトラの父、ウルトラの母、ウルトラマンレオ、アストラ、ウルトラマン80、ウルトラマンヒカリ、『メビウス』のレギュラー（CREW GUYSのメンバー）、そして成人している設定で『ウルトラマン』のホシノ・イサム、『帰ってきたウルトラマン』の坂田次郎、『ウルトラマンA』の梅津ダン、『ウルトラマンタロウ』の白鳥健一が登場。酉澤安施によるペギラ、バードン、アストロモンス、タイラント、グランドタイラント（タイラントにゴモラ、エレキング、ツインテール、バキシム、アストロモンスが合体した強化版）のデザイン画も完成していた。しかし、『メビウス&兄弟』同様の路線とすることに懐疑的な意見が多く、この案は不採用となった。バンダイからティガをメインとすることが提案され、長野博の出演が確定したことにより、2007年4月から企画が再始動した。プロデューサーの鈴木清による当初の案では、登場するウルトラマンはティガと件の5人（ウルトラマン、セブン、ジャック、A、メビウス）のみだったが、長谷川がダイナとガイアも登場させることを提案し、8人のウルトラマンが登場することとなった。ストーリーは、当初のプロットでは地球に隠れ住むヒッポリト星人の科学者とその娘が時空を歪めてしまうという展開だったが、最終的には赤い靴の少女と黒い影法師との対立を軸としたシンプルな構造に改められた。監督には前作と同じく小中和哉が予定されていたが、スケジュールの都合がつかなかったため、当時『ULTRASEVEN X』を担当していた八木毅が起用された。八木の参加後にプロットが完成し、主演の長野も交えて脚本作業が進められた。当初はパンドンではなくブラックキングが検討されており、第1稿の脚本段階ではベロクロン、アーストロン、ゴルザ、ガンQの登場も予定されていた。本編は2007年10月に、特撮は同年12月にそれぞれクランクインした。