Đầu năm 1990, Nirvana lên kế hoạch thực hiện album thứ hai của họ với tên Sheep. Lần này, quản lý của Sub Pop là Bruce Pavitt đã gợi ý Butch Vig trở thành nhà sản xuất cho album. Nirvana vốn rất thích thú với những dự án của Vig cho nhóm Killdozer nên đã chủ động liên hệ: "Chúng tôi muốn có những âm thanh cũng mạnh mẽ như vậy."[8] Đến tháng 4, cả nhóm bay tới phòng thu Smart Studios của Vig ở Madison, Wisconsin để bắt đầu công việc. Hầu hết những phần hòa âm cơ bản của các ca khúc đều được thực hiện trong thời gian này, song Cobain vẫn có nhiều khó khăn trong việc chọn ca từ, còn bản thân ban nhạc cũng chưa chắc chắn sẽ chọn ca khúc nào để thu âm.[9] Tuy nhiên, đã có 8 ca khúc được thu tại đây, bao gồm "Immodium" (sau này được đổi tên thành "Breed"), "Dive" (sau này được cho vào mặt B của đĩa đơn "Sliver"), "In Bloom", "Pay to Play" (sau đó được đổi tên thành "Stay Away" với phần lời mới hoàn toàn), "Sappy", "Lithium", "Here She Comes Now" (sau này được cho vào album tri ân Velvet Underground Tribute Album: Heaven and Hell Volume 1) và "Polly".[10] Nhóm cũng muốn thu thêm vài bài nữa, nhưng vì giọng của Cobain đã bị biến dạng sau khi thu "Lithium" nên buộc tất cả phài dừng công việc lại. Vig đề nghị nhóm hãy quay lại nếu tiếp tục thu âm các ca khúc, song ông không được nghe bất kể câu trả lời nào.[5] Thực tế, ban nhạc đã lấy những buổi thu tại đây làm demo để đi tìm hãng đĩa mới. Chỉ vài tháng sau, các bản demo này đã được chuyển qua lại giữa nhiều hãng đĩa, tạo nên vài lời xì xào về ban nhạc.[11]

Sau khi ký hợp đồng với DGC, hàng loạt nhà sản xuất được hãng giới thiệu, có thể kể tới Scott Litt, David Briggs và Don Dixon, song Nirvana lại đề nghị Butch Vig.[12] Novoselic nói vào năm 2001, rằng ban nhạc đã phát bực với hãng đĩa về việc thu âm và các nhà sản xuất đã nói rằng thực ra DGC muốn có vài phần trăm từ việc thực hiện album này. Cuối cùng, họ đã cộng tác với Vig, người mà họ cảm thấy thoải mái nhất.[13] Với tổng số tiền sản xuất là khoảng 65.000$, Nirvana đã thu âm Nirvana tại phòng thu Sound City Studios tại Van Nuys, California trong tháng 5-6 năm 1991.[14] Họ ban đầu dự định thực hiện album từ tháng 3, song cuối cùng đã bị đình trệ vì nhóm khi đó chưa có hứng để bắt đầu việc thu âm. Để có tiền bay tới Los Angeles, ban nhạc đã phải làm một buổi diễn nhỏ mà tại đây họ đã trình bày "Smells Like Teen Spirit" lần đầu tiên.[5] Nirvana sau đó đã mang tới cho Vig tất cả các bản thu từ trước cũng như tại Smart Studios, ngoài ra còn có vài ca khúc mới như "Smells Like Teen Spirit" và "Come as You Are".[15]

Khi cả nhóm tới California, Nirvana đã tận dụng vài ngày tiền-sản-xuất khi họ cùng Vig tiến hành sửa sang lại các bản hòa âm.[16] Chỉ có duy nhất 1 ca khúc được giữ nguyên từ thời kỳ Smart Studios là "Polly", trong đó có cả tiếng chũm chọe đánh lỗi bởi Chad Channing. Khi tất cả quá trình hoàn thiện, ban nhạc trở lại với lịch làm việc 10 tiếng/ngày. Mỗi ca khúc được họ thu 2 hoặc ba bản với các nhạc cụ khác nhau và nếu bản thu không làm họ hài lòng ở bất kể điểm nào, họ liền tiến tới việc thực hiện một điều gì mới.[17] Họ cũng thử chơi các ca khúc vô số lần trước khi thu, dẫn tới việc xuất hiện rất nhiều bản nháp.[13] Nosovelic và Grohl thì sớm hoàn thiện phần chơi bass và trống, song Cobain phải phụ trách lượng công việc lớn hơn với guitar, ghi đè, hát và đặc biệt là viết lời (đôi khi chỉ được hoàn thành vài phút trước khi bắt đầu thu âm chính thức).[18] Thường thì phần thu của Cobain nằm rải rác ở nhiều băng thâu và được Vig trộn lại bằng kỹ thuật ghi đè.[17] Vig cũng nói rằng chính ông đã gợi ý Cobain sử dụng kỹ thuật ghi đè này sau khi thấy anh thu rất nhiều bản. Đặc biệt, ông đã thuyết phục được Cobain ghi đè với "In Bloom" sau khi nói "John Lennon cũng đã làm như vậy đấy."[5] Sau khi tất cả mọi việc đã tương đối, Vig nhớ lại rằng Cobain trở nên ủ rũ và khá khó gần: "Cậu ấy đã rất tuyệt vời sau hàng giờ, rồi đột nhiên cậu ta ngồi một góc và không nói gì suốt hàng giờ."[8]

Sau khi quá trình thu âm kết thúc, Vig và ban nhạc bắt đầu quá trình trộn âm. Tuy nhiên, chỉ sau vài ngày, họ đã nhanh chóng cảm thấy không hài lòng về chất lượng trộn âm. Vì thế họ đã yêu cầu có thêm vài chuyên gia tới hỗ trợ, và Geffen Records đã nhờ tới DGC nhằm đưa ra những lựa chọn cần thiết. Danh sách của DGC có nhiều cái tên quen thuộc, như Scott Litt (phụ trách của R.E.M.) hay Ed Stasium (phụ trách của The Smithereens). Tuy nhiên, Cobain lại cảm thấy không hứng thú do anh không muốn sản phẩm của mình lại giống với những nhóm nhạc trên. Cuối cùng, họ chọn Andy Wallace (người từng sản xuất album nổi tiếng Seasons in the Abyss của Slayer) – vốn chỉ là cái tên cuối cùng của danh sách.[19] Novoselic nhớ lại: "Chúng tôi đã nói "Đây rồi!" vì các bản thu của Slayer nghe rất mạnh mẽ."[20] Wallace liền mang các ca khúc cùng với rất nhiều máy trộn âm, nhấn mạnh vào tiếng trống và đặt chỉ tiêu mỗi ngày hoàn thiện 1 bài.[21] Cả Vig lẫn Wallace đều công nhận rằng ban nhạc đã rất thích phần trộn âm này.[22] Tuy nhiên, ngay sau khi album được phát hành, các thành viên của Nirvana đều tỏ thái độ không hài lòng với phần âm thanh có được từ Nevermind. Trong cuốn Come as You Are, Cobain bộc bạch: "Cứ nhìn lại quá trình thực hiện Nevermind là tôi lại cảm thấy phiền lòng. Nó cứ như kiểu một sản phẩm của Mötley Crüe được trình bày theo kiểu punk rock."[21]

Nevermind được chỉnh âm toàn bộ vào lúc chiều tối ngày 2 tháng 8 tại The Mastering Lab ở Hollywood, California. Howie Weinberg bắt đầu công đoạn một mình này khi toàn bộ nhân viên của phòng thu đều không thể thu xếp vào khoảng thời gian này; khi Nirvana, Andy Wallace và Gary Gersh tới, Weinberg đã hoàn chỉnh hầu hết cả album.[23] Một trong những ca khúc được chỉnh âm vào lúc đó chính là ca khúc ẩn "Endless, Nameless" đã được chèn vào phía cuối của "Something in the Way" vì một sai sót của Weinberg. Ông nhớ lại: "Ban đầu, như kiểu ai đó đã từng nói rằng nên đưa ca khúc đấy vào sau ca khúc cuối cùng của album. Có thể tôi đã nghe nhầm hướng dẫn, nên bạn có thể quy đó là lỗi của tôi. Có thể tôi đã quên không viết điều đó ra giấy khi Nirvana và hãng đĩa giải thích. Vậy nên nó không tồn tại trong khoảng 12.000 sản phẩm đầu tiên cho CD, album hay băng cassette." Khi ban nhạc phát hiện ra ca khúc này tồn tại trong album, Cobain đã yêu cầu cá nhân Weinberg phải trực tiếp sửa chữa lỗi này.[24] Weinberg liền thay thế bằng cách đè 10 phút lặng sau "Something in the Way", rồi sau đó cho phát ca khúc ẩn này trong các ấn bản sau đó của album.[25]