Một ngày, cậu con trai ba tuổi của đạo diễn Hoshoda Mamoru lần đầu thấy em gái trong đời, nhờ phản ứng khi đó của cậu con trai đã truyền cảm hứng cho Mamoru viết kịch bản của Mirai: Em gái đến từ tương lai.[11] Cậu con trai của Mamoru tức giận và cảm thấy ghen tị khi cha mẹ chỉ để mắt đến cô em gái,[12] Mamoru đã lấy yếu tố đó và dùng vai trò người anh cả để nhào nặn nhân vật chính 4 tuổi của bộ phim.[13] Mamoru muốn xem cuộc sống ở độ tuổi trẻ trung như thế nào nên ông đã xây dựng nhân vật chính ở độ tuổi đó. Để khai thác kĩ lưỡng những yếu tố này, ông đã đưa con trai đến Studio Chizu cho các họa sĩ tham khảo để dựa theo mà phác thảo và sản xuất.[11][14] Nhân vật ông cố của Kun cũng dựa trên người ông cố của vợ Mamoru, người từng hoạt động máy bay trong chiến tranh và bị thương.[15]

Để đạt được tính xác thực cao, Hosoda đã hợp tác với các chuyên gia ngoài đời không hoạt động trong ngành hoạt hình để thiết kế một số kiến trúc dùng trong phim. Ngôi nhà của gia đình nhân vật Kun, ban đầu do cha Kun thiết kế trên máy tính, thực chất được thiết kế bởi kiến ​​trúc sư Tanijiri Makoto, người điều hành công ty Suppose Design Office.[12][16] Theo Mamoru, căn nhà của Kun không thiết kế theo phong cách của một căn nhà thông thường hay nhà theo truyền thống Nhật Bản, mà thiết kế giống như một sân khấu nối liền nhiều khu vực. Các căn phòng được bố trí theo cầu thang đi lên, đạo diễn cũng loại bỏ sự ngăn cách giữa các phòng bằng việc không xây tường để tạo một khoảng trống dễ quan sát qua, cũng như để nhân vật Kun thỏa sức khám phá ngôi nhà.[17][18] Khi trả lời về tiến trình này, kiến trúc sư Makoto nói: “Một đứa trẻ sẽ thấy rõ căn phòng bên dưới từ sân vườn, nhưng một người lớn chỉ thấy những gì trước mặt chúng. Cái nhìn của đứa trẻ sẽ thay đổi khi cậu ấy lớn.”[19]

Mirai: Em gái đến từ tương lai có thời gian sản xuất trong vòng ba năm, với 8 tháng hoàn thiện phần hiệu ứng, cùng sự trợ giúp từ 300 người, trong đó có 20 họa sĩ.[20][21] Cặp vợ chồng Hata Ayako và Aoyama Hiroyuki trở lại để chỉ đạo phần hoạt họa và tham gia thiết kế nhân vật, hai người từng cộng tác với Mamoru trong Cô gái vượt thời gian, Cuộc chiến mùa hè, Những đứa con của Sói, Cậu bé và Quái thú của ông.[21][22] Những bức họa trong phim đều được vẽ bằng tay pha lẫn đồ họa máy tính (CG), như một trong những con tàu và hiệu ứng ở nhà ga tại phân cảnh cuối phim được xây dựng nhờ CG. Tiếp viên tại nhà ga được xây dựng từ nghệ thuật "cut out" (cắt giấy) và được chuyển động bằng CG.[23] Các ảnh nền trong phim hoàn toàn được vẽ và thêm máu trên giấy, dù ngày nay công đoạn này phổ biến hơn khi thực hiện trên máy tính.[22]