ゴジラ・モスラ・キングギドラ 大怪獣総攻撃
『とっとこハム太郎』との併映は、本作品の製作中に『ハム太郎』の映画化が決定し、「巨大な怪獣ゴジラと、小さなハム太郎のカップリングならなかなか面白いのではないか」ということで決定された。併映は興行不振対策によるものであったともされる。
本作品の公開に伴い、当時「ゴジラ」の愛称で親しまれていた松井秀喜が応援メッセージの中で語った「ぜひ来年はゴジラ君と共演したい」 という一言により、次作『ゴジラ×メカゴジラ』への出演が決定した。
次作『ゴジラ×メカゴジラ』公開記念に『木曜洋画劇場』で放送されたバージョンはラストシーンにゴジラの復活を予期させる文字テロップを重ね、『×メカゴジラ』の予告編へとつなげている。ソフト化はされていないが、2016年8月7日にBS日テレでもこのバージョンが放送された。
特殊美術の三池敏夫によれば、本作品では予算が減額されたがミニチュアの出物の数は増えており、さらにミニチュアを大きくリアルに作ろうという方向性であったため、予算としては破綻していたと述べている。当初は、ゴジラをvsシリーズと同程度の大きさにしようという案も存在したが、当時のミニチュアは現存しておらず、1/50スケールのミニチュアをすべて新造することは難しかったため、前作までのミニチュアを流用できる1/25スケールとなった。それでも、シーンによっては1/10から1/12スケールの大きいミニチュアが用いられている。ゴジラに踏み潰される孫の手島の民宿のミニチュアは、瓦1枚まで作り込んだものが制作された。また、平成ガメラシリーズと同様にカメラのフレーム範囲内で組まれたミニチュアセットも多い。スタジオでの撮影は、移動ややり取りの手間をなくすため第9スタジオでほとんど行っているが、疑似海底の撮影のみスケジュールの都合により第2スタジオで行われた。
特撮班は、2001年5月15日に大涌谷のシーンからクランクインした。
詳細は「東宝特撮映画の怪獣対策組織#防衛軍」を参照
続く案では、宇宙線を浴びた宇宙飛行士が怪獣化するというもので、怪獣化した父と娘の交流が主軸となっていたが、悲劇にしかなりえず正月映画にふさわしくないとの判断から、3大怪獣を登場させるものへ改められた。金子によれば、本作品のコンセプトは『三大怪獣 地球最大の決戦』におけるキングギドラのポジションをゴジラに置き換えたものである。
当初、護国聖獣はバラゴンとアンギラス、バランだったが、前作『×メガギラス』が興行的に苦戦し、有名な怪獣を出すことによる集客効果を狙った営業上の理由で、最終的にバランがモスラに、アンギラスがキングギドラにそれぞれ変更となった。かなり制作準備が進行した段階での変更だったため、ムックなどにおけるスタッフインタビューでは、「完成した作品に思い入れはあるが、当初の予定のままやりたかった」という発言が散見される。一方で、後年のインタビューでは、結果的にモスラとキングギドラを登場させたことで画面が華やかになり、シリーズを継続することもできたのでベストな選択であったとも述べている。
防衛軍の設定は、武器の保有を認められている組織とすることで、対ゴジラへの出動をスムーズに描写することを意図している。