2016年4月、『ハリウッド・リポーター』はマイカ・モンロー、ローサ・サラザール、ゼンデイヤがアリータ役の最終候補であり、数週間以内に決定予定であることを報じた。またゼンデイヤの元共演者のベラ・ソーンも同役のオーディションを受けていたことが報じられた。2016年5月末、サラザールに決定したことが報じられた。2016年8月、原作漫画のイド・ダイスケに相当するダイソン・イド博士役としてクリストフ・ヴァルツが交渉中であることが報じられた。2016年9月14日、ジャッキー・アール・ヘイリーがサイボーグの悪役でキャスティングされた。2016年9月21日、『バラエティ』はエド・スクラインが交渉中であり、後に『ハリウッド・リポーター』はそれがザパン役であることを報じた。2016年9月30日、アリータの恋人であり、彼女がモーターボールと呼ばれるグラディエーター・スタイルの競技に身を投じる理由となったヒューゴ役にキーアン・ジョンソンがキャスティングされたことが報じられた。スタジオは他にアヴァン・ジョーギア、ダグラス・ブース、ジャック・ロウデン、ノア・シルヴァーを候補に候補に挙げていたが、より「人種的に曖昧」な人物を探していたためにジョンソンに決定した。2016年10月3日。モーターボールを主催する悪役のベクター役としてマハーシャラ・アリが交渉中であることが報じられた。第89回アカデミー賞で助演男優賞を獲得した後のインタビューでアリは本作で2つの役割をはたすことを明かしたが、その2つめについては語らなかった。2016年10月5日、エイザ・ゴンザレスが加わったことが報じられた。ゴンザレスはロドリゲスのテレビシリーズ『フロム・ダスク・ティル・ドーン ザ・シリーズ』で主要キャストの1人を務めていた。2016年10月7日、ジョージ・レンデボーグ・Jrがヒューゴの友人役を務めことが発表された。2016年10月11日、ラナ・コンドルが孤児のコヨミを演じることが報じられた。2016年10月18日、レオナルド・ウーがサイボーグのキヌバ役にキャスティングされた。2016年12月、マルコ・サロールがサイボーグのアジャカティ役で加わった。2017年2月7日、ジェニファー・コネリーが役名不明の悪役で追加された。撮影終了後の2017年2月22日、ミシェル・ロドリゲスも参加していたことが発表された。
ジェームズ・キャメロンが潜在的な監督として動いていた間、本作は彼の『アバター』と同様に実写とCGIを混合させて製作された。キャメロンは主人公のアリータを完全にCGIで作り上げることを意図していた。キャメロンはフュージョン・カメラ・システム、フェイシャル・モーション・キャプチャ、サイマルカムと言った『アバター』で開発した技術を使って製作すると述べた。2006年5月、『バラエティ』はキャメロンが過去10か月間で本作を製作するための技術開発を行っていたと報じた。2008年10月、1年半にわたって働いていたデジタルアーティストのマーク・ゲルナーはプリプロダクション作業のほとんどが完了したことを明かした。
ジェームズ・キャメロンは木城ゆきとの原作漫画の最初の第4巻までを中心として、「脊柱のストーリー」を取り入れると語った。キャメロンは、特に第3巻と第4巻で登場する架空のスポーツ「モーターボール」を描きたがっている。
兵庫県神戸市出身。灘高等学校、東京大学法学部卒業後、コロンビア大学に留学しMBA（経営学修士）を取得したのちフジテレビに入社。スターダストプロモーション所属の俳優と太いパイプを持った。作風の特徴として、トレンディドラマとは一線を引いた社会派ドラマを数多く手がけた。特に『ギフト』、『きらきらひかる』、『カバチタレ!』、『ビギナー』などは、その内容が高く評価されている。また、『ロング・ラブレター〜漂流教室〜』のような、連続ドラマとしては異例のSF物にも取り組むなど、意欲作が多い。2005年11月にフジテレビを退社・独立し、株式会社ヒントを設立する。
1923年（大正12年）5月3日、京都府南桑田郡亀岡町（現在の同府亀岡市）に生まれる。1938年（昭和13年）3月、旧制・亀岡尋常高等小学校（現在の亀岡市立亀岡小学校）を卒業、その3年後の1941年（昭和16年）、京都・太秦の日活京都撮影所（のちの大映京都撮影所）に入社、俳優課に配属される。「持ち前の明るい人柄」を評価され、前年に自らのプロダクションを解散して日活に入社して当時同社の看板スターだった片岡千恵蔵の内弟子になる。やがて第二次世界大戦に突入し、1942年（昭和17年）1月27日、戦時統合により日活の製作部門は他の2社と統合して大日本映画製作（のちの大映）を設立するが、大西は新会社へ継続入社している。記録に残るもっとも古い出演作は、大戦末期の1945年（昭和20年）4月22日に公開された市川右太衛門の主演作『紅顏鼓笛隊』（監督木村恵吾、1953年『暁の鼓笛隊』と改題）、あるいは同年7月12日に公開された片岡千恵蔵の主演作『東海水滸伝』（監督伊藤大輔・稲垣浩、1952年『東海二十八人衆』と改題）であり、俳優時代の大西は本名の三郎を名乗っていた。終戦後も引き続き、大映京都撮影所俳優課に籍を置き、1946年（昭和21年）8月15日に公開された片岡の主演作『手袋を脱がす男』（監督森一生）等に出演するほか、同年12月31日に公開された片岡の主演作『七つの顔』（監督松田定次）に始まる「七つの顔シリーズ」のアヴァンタイトルを大西が考案、これが採用されている。この時期、『歩く人生』、『オレは日本の国に貸しがある』等の脚本も執筆した。1948年（昭和23年）10月の同社社長・永田雅一の舌禍により、同年12月28日に公開された『三十三の足跡』（監督松田定次）を最後に片岡が同社を退社、翌1949年（昭和24年）には東横映画（現在の東映）に移籍したが、大西もこれに同行する。大西は、片岡が主演した『獄門島』、続篇の『獄門島 解明篇』に「了沢」の役を得、同2作はそれぞれ同年11月20日、12月5日に公開された。