Alors que le film est déjà tiré, à l'origine, d'une histoire (indisponible de nos jours) de Otto Klement et Jay Lewis Bixby, Le Voyage fantastique fut ensuite décliné en roman.
Cette novellisation, démarche peu commune à l'époque, fut effectuée par le célèbre scientifique et écrivain de science-fiction Isaac Asimov. Ce dernier posa toutefois ses conditions : il put ainsi remanier l'intrigue pour en éliminer les failles les plus évidentes (le film contient plusieurs invraisemblances notoires). Le tournage ayant connu des délais imprévus, le livre sortit d'ailleurs en premier.
En 1987, Isaac Asimov reprit le canevas principal de l'intrigue et en tira une nouvelle version propre à le satisfaire (il déclara en effet ne l'avoir jamais été pleinement du premier, malgré un bon succès commercial) : ce fut Destination cerveau (Fantastic voyage 2 : destination brain en version originale).
Les scènes où les personnages doivent quitter le navire et nager furent en fait tournées à sec sur un plateau, des câbles étant utilisés pour suspendre les acteurs. Cette méthode en apparence relativement anodine était en l'occurence plutôt dangereuse : pour éviter des reflets métalliques révélateurs, les câbles étaient préalablement "adoucis" en les plongeant dans de l'acide, ce qui les rendait beaucoup plus fragiles...
Par ailleurs, pour simuler le fait que les personnages se déplacent dans un milieu liquide, la vitesse de ces prises de vue était de 50% supérieure au reste du film : en les rejouant ensuite à la vitesse normale, on créé une impression de lenteur des mouvements.
Outre deux romans, Le Voyage fantastique a engendré plusieurs oeuvres dérivées.
On dénombre ainsi une série de dessins animés (17 épisodes au total), et surtout un remake : L' Aventure interieure (Joe Dante, 1987), avec Meg Ryan dans un de ses premiers rôles.
Difficile de réaliser un film de science-fiction à grand spectacle sans un budget en conséquence. Pour Le Voyage fantastique, la Twentieth Century Fox n'hésita pas à sortir les grands moyens : avec 6,5 millions de dollars, le film établit, à l'époque, un nouveau record budgétaire, la moitié étant allouée aux seuls effets spéciaux et décors...
Pour se déplacer dans le corps humain, les protagonistes utilisent un vaisseau futuriste, le Protos. Celui-ci est l'oeuvre de Harper Goff, qui avait déjà créé le Nautilus de 20.000 lieues sous les mers (Richard Fleischer, 1954).
Lors de sa sortie, une bonne part de l'attrait du Voyage fantastique rédisait de ses décors très particuliers. Pour la première fois à l'écran, des humains se déplaçaient à l'intérieur d'un corps humain avec ses veines, ses poumons et son cerveau.
Alors qu'ils semblent gorgés de couleur (bleu-violet pour les capillaires, orange et rose pour les poumons, bleu et blanc pour le cerveau), les décors sont en fait translucides. Leur fabrication fait appel à de la fibre de verre, de la cellulose, du plastique et de l'acétate, et des lumières diffuses furent utilisées pour les "colorer". Le directeur de la photographie, Ernest Laszlo, déclara à ce sujet qu'ils étaient "peints avec de la lumière"... Ce procédé permit d'obtenir une transparence exceptionnelle.
Le Voyage fantastique remporta l'Oscar des Meilleurs effets spéciaux visuels et celui des Meilleurs décors. Il fut également nominé pour la Meilleure photo, Meilleurs effets spéciaux sonores et Meilleur montage.
Il fut en outre nominé au prix Hugo de science-fiction.