Nhóm SQUARE ENIX 1st Production Department Premiere, từng thực hiện các tựa Fabula Nova Crystallis Final Fantasy, Dissidia Final Fantasy và Kingdom Hearts đã nhận nhiệm vụ phát triển trò chơi. Trò chơi sử dụng phương pháp phát triển mới để tránh các trục trặc nghiêm trọng xảy ra giữa khâu thiết kế và phát triển như trò chơi trước. Công ty đã cử nhóm phát triển đi tham khảo và trao đổi thông tin về quy trình phát triển trò chơi ở các công ty khác vốn đang cùng hợp tác như Eidos, xây dựng lại lịch trình, đánh mốc dự án theo chuẩn Milestone để theo dõi tốt hơn tiến độ của các nhân viên. Nhiều thành viên của dự án trước cũng đã tham gia phát triển trò chơi nhưng không nhiều như trước khi áp dụng phương pháp mới ngoài ra cũng do công ty đã ký hợp đồng với công ty tri-Ace để cùng tham gia phát triển trong khâu thiết kế, nghệ thuật và lập trình. Các vấn đề phát sinh với công cụ Crystal Tools mà Square Enix phát triển để thực hiện trò chơi trước cùng những thứ khác khiến chi phí đội lên cao đã được khắc phục. Những biện pháp đó đã giúp cho trò chơi có thời gian phát triển ngắn chỉ trong khoảng hai năm và tiết kiệm ngân sách phát triển. Kitase Yoshinori đã nói trong cuộc phỏng vấn của Siliconera là nhóm phát triển đã thực hiện Final Fantasy XIII theo hướng tuyến tính tuyệt đối tập trung vào cốt truyện liên tục tiến lên việc khiến cho một số người chơi chột rột cảm thấy không tự do và không vui vì thế nhóm quyết định mang đến một trải nghiệm hoàn toàn khác với một trò chơi mới có thiết lập trong cùng môi trường.

Toriyama ban đầu dự tính đây không phải là phần tiếp theo mà là ngoại truyện lấy bối cảnh 900 năm sau các sự kiện diễn ra ở bản trước. Tuy nhiên khi viết cốt truyện cho các cảnh trong trò chơi thì nó dần trở thành tác phẩm mang chủ đề vượt thời gian. Ông muốn tạo ra một cốt truyện mà trong đó nhân vật Lightning đạt được kết thúc có hậu và nhân vật Serah trở thành nhân vật chính điều mà phần trước không có. Nhưng người viết kịch bản Watanabe Daisuke thì nghĩ rằng sẽ để một số trong các ý tưởng đó sang sử dụng cho phần tiếp theo khi thực hiện kết thúc của trò chơi. Trò chơi được thiết kế viết cốt truyện cho từng giai đoạn khác nhau chứ không liền một mạch như phiên bản trước xoay quanh các hiệu ứng Paradox lớn diễn ra trong từng gian đoạn thời gian khác nhau làm nó giống như từng tập của một bộ phim giúp dễ nắm bắt hơn. Cũng như khá khó trong việc thể hiện cốt truyện cho người chưa từng chơi phiên bản trước nắm bắt được như hai khái niệm l'Cie và fal'Cie trong thế giới của trò chơi quá khó hiểu nên được hạn chế sử dụng.

Các bản mở rộng tải về cho trò chơi đã được lên kến hoạch ngay từ đầu khi thực hiện trò chơi để nó có thể tương thích dễ dàng hơn và được thực hiện song song khi phát triển để tránh việc các bản này được phát triển theo cảm hứng loạn xà bần lên sau đó gây trục trặc vốn là thách thức của các nhà sản xuất.