2016年2月より作画がスタート。キャラクターデザイン・総作画監督は西屋太志が担当。作画設計のコンセプトは「キャラクターに存在感があり、アニメとリアルの中間のようなデザイン」。「作品自体には尖った要素もあるので、絵は優しく柔らかく、温かみがあり丸みのあるものを目指す」という指針のもと、絵作りが進められた。今作では、作画監督の役割を画面構成をチェックする「レイアウト作画監督」と、キャラクターの作画や芝居の水準を上げる「原画作画監督」の2手に分け、作画の質と作業能率の向上が図られた。また、レイアウトや原画自体を監修、精査する「原画チーフ」という役職も設けられた。その結果、レイアウトは原画チーフ・演出・レイアウト作監・総作監が、その後の原画は原画チーフ・演出・原画作監がチェックするといった多階層的な作画工程が取られた。制作にあたり、監督の山田は手話教室にも通学。「手は花であり、ひとつのキャラクターである」という監督の指針のもと、実制作では、まず手話モデルが絵コンテ部分を手話で演技し、解説。その模様をムービーで撮影し、実際に映像を見ながらアニメーターが作画し、出来上がったものを手話監修がチェックする、といった作業が徹底して行われた。手話自体が正しくても、出すタイミングによって意味が異なってしまう場合もあり、その部分も含めての綿密な修正が重ねられた。また、キャラクター毎に手話の熟練度を意識し、将也や佐原は「本で勉強して習得した感じ」、結絃は日常の一部で使用しているため「小学生がヨーヨーをするような手慣れた感じ」、硝子にとっては自分の言語でもあるため「指先の緊張感を大切に」作画演出がなされている。物語最後の植野と硝子のやりとりで、植野が指文字の手話を使用し「バカ」と言う描写があるが、実際の植野の手話は「ハ・カ」となっている。そこを硝子が正しい手話に訂正して笑顔を浮かべ、心から笑うシーンにもなっている。
2015年6月、山田がシリーズ演出を担当したテレビアニメ『響け! ユーフォニアム』の放映終了後、制作が始動した。脚本には、これまでの山田監督作品でも毎回タッグを組んでいる吉田玲子が起用され、シナリオ会議がスタート。監督の山田や脚本の吉田を中心に関係スタッフが集まり、そこに原作者・大今良時も参加した。その中で受けた「これは石田将也の物語」「西宮硝子は天使ではない」といったキーワードを元に、「主人公である将也がちゃんと生きていくための"産声"を上げられること」を芯に、石田将也を物語の軸とする脚本作りが進められた。また、将也と硝子の関係を描く上でポイントとして挙げられたものに、劇中でも登場する養老天命反転地の「極限で似るものの家」があり、そこから、「イコールではないが、無限に同じものへ近づいて行くことを表す"極限値"」というものが一つのコンセプトとして制作された。脚本を再構築していく上では、「時間が強制的に流れてしまう」という映画の性質を念頭に、「原作の引き写しやただのダイジェストにするのでは無く、その根本の解釈や大事にしているものは変えずに本質を抽出し、一本の映画作品として成立させる」ということに注力された。脚本の吉田は後に、「大今先生からの、"この作品は人と人がコミュニケーションをしようとする姿を描いた"という言葉と、山田監督の"観た人が許されるような映画にしたい"という言葉が芯となった」と述べている。原作からの主な変更点としては、物語の終わりが成人式のシーンではなく、文化祭シーンに変更されたほか、自主映画製作エピソードのカットがなされた。それらの再構築を通して「1本の映像作品として、石田将也に寄り添った物語を作る」というアプローチが行われた。脚本が決定稿となった2015年9月中旬より監督による絵コンテ作業が進められ、出来上がった総カット数は2269カットに及んだ。牛尾による劇伴制作も同年12月、絵コンテ作業と並行してスタートした。センセーショナルな部分が出てくる作品ではあるが、映画では「繋がりたいけど、繋がれない。伝えたいけど、伝わらない、といった人と人との繋がり、ディスコミュニケーションを描く。」という核となるテーマを定め、制作が行われた。
企画の始まりは2014年、京都アニメーションのプロデューサーが講談社にアニメーション化を持ちかけたことに始まる。企画当初は監督が決まっていなかったが、暫くして山田尚子が抜擢された。本作は京都アニメーション、そして山田尚子にとって、テレビシリーズを挟まない初となる映画作品となった。
肥薩線において、熊本県側の人吉駅から鹿児島県側の吉松駅までの区間は矢岳越えと言われる険しい山岳地域となっており、ループ線やスイッチバックを設置して克服している難所である。矢岳第一トンネルはこの区間にあり、肥薩線でもっとも長いトンネルである。肥薩線内で最高地点にあるのが標高 536.9 メートルの矢岳駅で、この駅の南側で宮崎県に入り、まもなく矢岳第一トンネルへと通じている。矢岳第一トンネル内は、南側へ向けて25 パーミルの下りの片勾配となっている。鹿児島へ通じる鉄道は、現在の鹿児島本線・肥薩おれんじ鉄道にあたる海岸周りの路線も検討されたが、海岸付近の線路は戦時に敵の攻撃を受けやすいという理由で軍部に反対され、肥薩線にあたる路線が先に建設された。このため、この区間は当初鹿児島本線として建設された。北側は人吉まで1908年（明治41年）6月1日に開通しており、また鹿児島県側の区間も吉松まで1903年（明治36年）9月5日に開通していた。1906年（明治39年）9月に矢岳第一トンネルに着工されたが、人里離れた山奥であり資材搬入などの困難に見舞われた。また水分の多い凝灰岩のために湧水が多く、かなりの難工事であったとされる。1908年（明治41年）に導坑が貫通し、1909年（明治42年）11月21日に人吉 - 吉松間が開通した。これによって鹿児島本線が全通すると共に、途中関門海峡の船舶連絡を挟んで青森駅から鹿児島駅までの日本列島を縦貫する鉄道網がつながった。矢岳第一トンネルの総工費は73万6千円であった。トンネル北側の篇額は、当時の逓信大臣山縣伊三郎の揮毫で「天險若夷」（てんけんじゃくい）、南側の篇額は当時の鉄道院総裁後藤新平の揮毫で「引重致遠」（いんじゅうちえん）と書かれている。縦1 メートル、横2 メートルの石額でできている。言葉をつなげて読むことで、「天下の難所を（トンネルによって）平地であるかのようにしたおかげで、重い貨物を遠くへ運ぶことができる」という意味になっている。この2人の名前は、この区間を運行している観光列車「いさぶろう」・「しんぺい」にも使われている。この区間の東側約2 キロメートルのところを九州自動車道が通っており、県境を越える区間に加久藤トンネルがある。くしくも、加久藤トンネルが完成して九州自動車道の人吉IC - えびのIC間が1995年7月27日に開通したことで、青森から鹿児島までの高速道路網がつながった。