Vào tháng 5 năm 2019, Roland Emmerich được thông báo sẽ viết kịch bản và đạo diễn bộ phim.[4] Với ngân sách 138–146 triệu USD (bao gồm 40 triệu USD từ Hoa Nghị huynh đệ, 15 triệu USD từ Lionsgate Films và 15 triệu USD từ Đức),[5] nó là một trong những bộ phim độc lập đắt nhất từng được sản xuất.[6][7] Emmerich cho biết dự án này trước đó đã được Universal Pictures mua lại và ngay khi lấy lại quyền, Emmerich cùng đối tác Harald Kloserư đã đến Liên hoan phim Cannesư để kêu gọi người ủng hộ tài chính, với tính chất độc lập giúp Emmerich có được quyền kiểm soát sáng tạo và 50% cổ phần của bộ phim.[8] Ý tưởng nảy ra sau khi đọc cuốn sách Ai đã tạo nên Mặt Trăng? (Who Built the Moon?) của Christopher Knight và Alan Butler, trong đó tranh luận về giả thuyết Mặt Trăng rỗng, một thuyết âm mưu về việc Mặt Trăng là một công trình nhân tạo và kịch bản đã được thực hiện trong bốn năm.[9] Vào tháng 11 năm 2019, Lionsgate và Summit Entertainment đã giành được quyền phân phối ở Bắc Mỹ và AGC International đã giành được quyền phân phối quốc tế.[10]

Vào tháng 5 năm 2020, Josh Gad và Halle Berry đã được chọn vào dàn diễn viên,[11][12] Patrick Wilson và Charlie Plummer được thêm vào tháng 6 cùng năm.[13] Vào tháng 10, Stanley Tucci, John Bradley, Donald Sutherland và Eme Ikwuakor được thêm vào dàn diễn viên, với Bradley thay thế Gad do xung đột lịch trình.[14]

Quá trình quay phim bắt đầu ở Montreal vào tháng 10 năm 2020,[15] sau khi được lên kế hoạch trước đó vào đầu mùa xuân,[16][17] và kéo dài tổng cộng 61 ngày.[18] Michael Peña, Carolina Bartczak, Maxim Roy và Stephen Bogaert đã được bổ sung vào tháng 1 năm 2021, với việc Peña thay thế Tucci trong vai trò của anh ấy do hạn chế đi lại do đại dịch COVID-19 khiến Tucci không thể tham gia sản xuất.[19] Do đại dịch COVID-19, bộ phim phải đẩy nhanh quá trình quay phim chính với số tiền chi thêm 5,6 triệu USD.[18] Trong số các hạn chế của đại dịch là thiếu địa điểm quay phim, buộc phải xây dựng 135 bối cảnh khác nhau, được xây dựng chủ yếu trên sáu sân khấu ở Grandé Studios. Một bảo tàng ở Florida đã đóng góp một buồng lái Tàu con thoi nguyên bản và NASA đã cung cấp nhiều dữ liệu khác nhau về tàu vũ trụ.[9]

1.700 cảnh quay hiệu ứng hình ảnh đã được thực hiện cho Trăng rơi, chủ yếu do bốn công ty xử lý, Scanline VFX, Pixomondo, DNEG và Framestore. Scanline đã phát ngay một đoạn giới thiệu được thực hiện trong quá trình sản xuất phim Trận chiến Midway cho buổi chào sân Cannes, một cảnh quay Mặt Trăng mọc sau Trái Đất đã kết thúc trong bộ phim đã hoàn thành.[20]