ゴジラ×メカゴジラ
避難所のシーンは都内の廃校を用いており、前半分を館山の避難所、後半分を品川の避難所としている。田中美里が出演する病院前のシーンは、イメージに適した場所が見つからず、手塚の発案により東宝撮影所の本館前で撮影された。
ゴジラの骨が保管されている水槽前の部屋はセットで制作している。
冒頭の台風中継のシーンは、東宝スタジオ内の大プール脇で撮影しており、プールを堤防に見立て、エアキャノンで水面を撃って波を再現している。背景にはブルーバックが立てられ、ゴジラの姿を合成している。
館山の避難所で自衛隊員が子供に飴を与えるシーンは、企画協力の三枝徹がメーサー車の検討デザイン画の余白に書いていたコメントを実現したものである。
劇中でのテレビモニターに登場するワイドショーのステージは、『踊る大捜査線』のセットの一部を流用している。
本作品では、怪獣による災害被災者の描写が存在するのも特徴である。ニュース映像の描写や瓦礫などの制作には、阪神・淡路大震災の写真を参考にしている。美術の瀬下幸治は、その他のシーンでも細かい瓦礫の作り込みにこだわったといい、前作にも劣らないものができたと語っている。
茜が雪中でランニングするシーンは、夏場の撮影であったため、現場で造形物の雪を降らせたほか、溶ける雪や白い息などを合成している。
デジタル合成が普及してからは、波長が適したグリーンバックが多用されていたが、本作品ではグリーンのライティングを用いるため、合成にブルーバックを使用している。
主演の釈も、クランクイン前に自衛隊の訓練に参加している。富山によれば、前作で防衛軍という設定であったため協力を断られた経緯や架空兵器であるメカゴジラが登場することから、防衛庁の協力を得ることは難しいと考えていたが、自衛隊内での別組織という条件であれば協力可能との回答を受け、特生自衛隊が設定されることとなった。
本作品は前作と違い、当初から『ハム太郎』との同時上映が決まっており、その影響で上映時間が従来より15分前後短縮されている。また、劇中では『ハム太郎』をもじった看板が登場するほか、湯原沙羅の友人が『ハム太郎』の主人公であるロコちゃんの衣装や髪型をイメージしたものになっており、ハムスターを可愛がるという『ハム太郎』を意識したシーンがある。手塚は、子供が鑑賞する映画としては短い方が良いと考えていたことから、上映時間が減ったことは制約にはならなかったといい、むしろ富山から「90分ちょうどでいい」と言われたことに闘志を燃やし、1時間28分ぐらいに収めようと決意したことを語っている。
なお、VSシリーズへの参加経験を持つ青井邦夫は、本作品の制作当時に手塚が自身へ一応連絡を取ろうと考えたらしいことを後から聞いたが、当時は可能なら何か手伝いたいと考えていたものの縁がなく、純粋な観客として本作品と次作を鑑賞することになったという。
ゴジラ:喜多川務
メカゴジラ:石垣広文
主演の釈由美子は、富山や手塚が釈の主演作である映画『修羅雪姫』(2001年)を観ていたことから起用された。富山は、制作が決定してからオファーしたところ釈のスケジュールが決定する直前であったため、あと2、3日遅ければ釈の出演はなかっただろうと述懐している。『機動戦士ガンダム』のファンである釈は、機龍に乗り込むシーンはシャア・アズナブルのような気分であったと語っている。一方で、釈は、精神的なプレッシャーから体調を崩し、点滴を受けながら撮影に臨むこともあった。釈は、それまでゴジラ映画を観ていなかった自身がファンの期待に応えられるか、自身が出演することで作品にとってマイナスにならないかといったことを不安に感じ、制作発表でそれまで経験したことのない多数の記者に囲まれたことで精神的に耐えられなくなってしまったという。しかし、そのことが役柄の状況や心情とシンクロし、役とともに乗り越え精神的に強くなれたと語っている。後年のインタビューでは、役に入り込んだことのほか、真夏に密着性の高い戦闘服を着て狭いコクピットで撮影を行っていたうえ、簡単に着脱できないため水分を取らないようにしていたことも倒れた理由に挙げている。
湯原徳光役の宅麻伸は、過去に手塚が参加していた時代劇に出演していた縁で起用された。当時の宅麻はテレビドラマ『課長島耕作』など真面目な役柄のイメージが強かったが、本作品では当時としては珍しい三枚目役となった。
柘植真智子役には、東宝特撮の常連であった水野久美を起用。水野がゴジラ映画に出演するのは『ゴジラ・エビラ・モスラ 南海の大決闘』以来36年ぶりであった。
低温物理学の権威。アブソリュート・ゼロの設計を担当した。
品川戦の際には、一般家庭用の電力を機龍に供給することを発案する。