Tháng 10 năm 2014, Marvel công bố sẽ có hai phần hậu truyện để tiếp nối Avengers: Đế chế Ultron (2015); phần đầu có tựa là Avengers: Cuộc chiến vô cực – Phần 1 dự kiến phát hành vào ngày 4 tháng 5 năm 2018, còn Phần 2 lên lịch vào ngày 3 tháng 5 năm 2019.[91][92] Tháng 4 năm 2015, Marvel cho biết Anthony và Joe Russo sẽ giữ vai trò chỉ đạo cho cả hai phần phim Cuộc chiến vô cực,[93] với lịch ghi hình bắt đầu vào năm 2016.[94] Ở tháng kế tiếp, Christopher Markus và Stephen McFeely đã ký hợp đồng để chắp bút kịch bản cho hai phần phim,[95] vốn lấy cảm hứng từ hai đầu truyện tranh The Infinity Gauntlet của Jim Starlin (1991) và Infinity của Jonathan Hickman (2013).[96] Anthony Russo cho biết thêm rằng tác phẩm sử dụng chất liệu lấy cảm hứng từ dòng phim trộm cướp của thập niên 1990, trong đó mô tả "Thanos đập phá để [giành lấy các Viên đá Vô cực] và mọi người đều cố gắng để bắt kịp [diễn biến] của phim."[56] Nhà sản xuất Kevin Feige cho biết các phần Cuộc chiến vô cực có tựa là Phần 1 và Phần 2 vì "cả hai đều sở hữu những điểm chung... Nhưng tôi sẽ không gọi đây là một câu chuyện bị tách đôi. Tôi sẽ nói đây là hai bộ phim riêng biệt."[97] Tháng 5 năm 2016, hai vị đạo diễn nhà Russo tiết lộ rằng họ sẽ đặt lại tựa cho hai bộ phim nhằm xóa bỏ ngộ nhận rằng chúng là một tác phẩm lớn bị chia làm hai; Joe phát biểu, "Chúng tôi định sẽ thay đổi [các tựa đề], chỉ là chúng tôi chưa nghĩ ra [tên cho chúng] thôi."[98] Tháng 7 năm đó, Marvel cho hay tựa của Phần 1 sẽ được rút gọn đơn giản thành Avengers: Cuộc chiến vô cực.[99]

Quá trình ghi hình chính khởi động vào ngày 23 tháng 1 năm 2017[100] với tựa sản xuất là Mary Lou[101] tại xưởng phim Pinewood Atlanta Studios ở Fayette County, Georgia với Trent Opaloch giữ vai trò chỉ đạo quay phim.[102] Avengers: Cuộc chiến vô cực cùng với Avengers: Hồi kết đều sử dụng máy quay 2D IMAX/Arri, đánh dấu lần đầu tiên một bộ phim dài chiếu rạp của Hollywood được ghi hình hoàn toàn bằng máy ghi hình kĩ thuật số IMAX.[103] Đầu tháng 2, Marvel xác nhận sự có mặt của Robert Downey Jr. trong vai Tony Stark/Người Sắt, Chris Pratt vai Peter Quill/Star-Lord và Tom Holland vai Peter Parker/Người Nhện trong phim.[8] Công tác ghi hình bổ sung được thực hiện tại Scotland từ tháng 2 năm 2017, trong đó việc ghi hình ngoại cảnh được thực hiện tại Edinburgh, Glasgow và các vùng cao nguyên Scotland,[104] còn khâu ghi hình nội cảnh thực hiện tại Wardpark Studios ở Cumbernauld.[105][106] Cuối tháng 6 năm 2017, các nhà quay phim tiến hành ghi hình tại khu kinh doanh Atlanta[107] cũng như Công viên Trung tâm của Atlanta vào đầu tháng 7,[108] trước khi chuyển đến Queens, New York vào giữa tháng đó.[109] Phim đóng máy vào ngày 14 tháng 7 năm 2017.[110] Đối với cảnh kết phim mà Thanos định cư tại một túp lều nipa, các nhà làm phim đã hợp tác với xưởng phim Indochina Productions của Thái Lan để có quyền sở hữu các trích đoạn chiếu những khu ruộng bậc thang Banaue ở Ifugao, Philippines.[111]

Sau đó vào tháng 7 năm 2017, Joe Russo cho biết có một vài cảnh chưa hoàn tất của Avengers: Cuộc chiến vô cực sẽ được ghi hình trong "vài tháng kế tiếp".[112] Đầu tháng 3 năm 2018, hãng Disney đã dời lịch chiếu Avengers: Cuộc chiến vô cực tại Hoa Kỳ đến ngày 27 tháng 4 năm 2018, tức cùng tuần khởi chiếu phim tại một số thị trường quốc tế.[113][114] Nhiều công ty như Industrial Light & Magic,[115] Framestore,[116] Method Studios,[117] Weta Digital, DNEG, Cinesite, Digital Domain, Rise, Lola VFX và Perceptio đã thực hiện hiệu ứng kĩ xảo cho bộ phim.[118] Với kinh phí ước tính rơi vào khoảng 316–400 triệu USD,[2][3][4] đây là một trong những dự án điện ảnh đắt đỏ nhất mọi thời đại.[119] Hai diễn viên Evans và Hemsworth đều nhận được 15 triệu USD cho bộ phim.[120]