Voyage sous les mers 3D a demandé près de 7 années de production pendant lesquelles l'équipe du film a fait 26 expéditions à travers les mers du monde. Au final après avoir passé environ 1500 heures sous l'eau, les réalisateurs ont accumulé 200 heures de rushes.
Les conditions de tournages furent parfois très difficiles comme le raconte François Mantello : "Dans certains endroits, seuls quelques bateaux ont les autorisations officielles de filmer. Et parfois leur état était proche de l'épave flottante. Nous nous sommes même retrouvés à bord de certains bateaux où nous dormions avec des mouchoirs dans les oreilles pour se protéger des cafards !"
Les réalisateurs ont choisi de ne jamais utiliser de cage pour filmer les requins. Jean-Jacques Mantello : "Quand on utilise des cages dans ce genre de films, cela revient à faire de la mise en scène destinée à véhiculer l'idée que les requins sont dangereux. Or, le requin ne s'attaque pas naturellement à l'homme. On n'est pas totalement inconscients pour autant ! Il nous est arrivé d'être secondé par trois ou quatre plongeurs "sécurité" parce qu'on s'est retrouvés au milieu de 400 requins par 40 mètres de fond. Ce n'est pas sans danger bien sûr, mais ce sont toujours des risques extrêmement calculés."
Deux caméras montées l'une à côté de l'autre sont nécessaires pour filmer en relief. Le caisson étanche pour les abriter sous l'eau faisait près de 75 kg, ce qui rendait le tournage d'autant plus délicat.
Régulièrement engagée pour la défense de l'environnement, l'actrice française raconte comment elle a été impliquée dans le projet : "Le plus drôle, c'est que j'étais dans le désert quand j'ai reçu cette proposition. Et le désert a une forte ressemblance avec la mer : c'est une immense étendue de vagues. Des vagues de sable sous lesquelles il y a malgré tout, moins de vie que sous la mer. J'ai toujours été fascinée par l'océan, et notamment par la vie sous-marine. J'ai fait plusieurs plongées qui ont été des moments inoubliables. Du coup, avant même de lire le projet, j'étais intéressée a priori. Par la suite, j'ai vu le film et rencontré l'équipe et j'ai été totalement fascinée par les images en 3D. On a vraiment l'impression d'être sous l'eau et de faire une plongée. J'ai aussi beaucoup aimé le fait que le récit soit mené par une tortue. C'est plus qu'un commentaire de documentaire, c'est vraiment un personnage à part entière, extrêmement attachant."
Voyage sous les mers 3D est le premier long-métrage de docu-fiction entièrement tourné en Numérique HD et en 3D-Relief. Il a été produit par 3D entertainment, spécialiste des documentaires sous-marins en relief à qui l'on doit notamment Dauphins et baleines 3D, nomades des mers (2008).