Casting
Judi Dench a confirmé qu'elle reprenait le rôle de M. Le film marque le retour de l'Aston Martin DB5, et de Q, joué dans le film par Ben Whishaw ; le personnage était absent dans Casino Royale et Quantum of Solace. Bérénice Marlohe, qui rejoint le casting, devient la huitième actrice française à jouer l'un des premiers rôles féminins dans la série des James Bond.

Le site internet deadline.com a mentionné le fait qu'EON Productions avait offert le rôle du « méchant » à Javier Bardem, ce que l'acteur avait confirmé quelques jours plus tard, sans toutefois préciser s'il avait accepté l'offre.De son côté,Roger Deakins,directeur de la photographie de plusieurs films célèbres comme Les Évadés ou encore No Country for Old Men, a annoncé qu'il pourrait travailler avec Sam Mendes sur le prochain opus des aventures de l'agent secret de Sa Majesté

Tournage
Le tournage commence le 7 novembre 2011 par la scène 45.Skyfall est le premier James Bond filmé intégralement en numérique, son exploitation dans les cinémas se déroule en 4K. De plus, il est également le premier de la série à être converti par le procédé DMR en IMAX 70 mm/15 perfos (disponible aussi en DIGITAL IMAX).

Le champ de course royal d'Ascot (présent dans Dangereusement vôtre) représentera l'aéroport international de Shanghai. Des panneaux et autres éléments de signalisation identiques au vrai aéroport ont été installés par les décorateurs à cet effet. Le casino de Macao a été filmé dans les studios.

Tout au long du tournage, des vidéos sont diffusées : commentaires de Michael G. Wilson, commentaires de Sam Mendes, présentation de Bérénice Marlohe et Naomie Harris, présentation de Javier Bardem, tournage à Shanghai, tournage à Istanbul, la présentation de l'intérieur du MI6 et les commentaires de Jany Temime. Toutes ces vidéos ont été diffusées entre décembre et mai 2012.