Le projet de Mission : Noël Les aventures de la famille Noël avait été annoncé en 2007, avec le nom Operation Rudolph. 18 mois ont été nécessaires à la pré-production, et 18 mois supplémentaires pour la production et la réalisation du film. La bande annonce de la version finale du film est en circulation aux Etats-Unis depuis novembre 2010.
Initialement, la bande sonore du film devait être composée par Michael Giacchino, responsable de la musique de la série Lost, les disparus, et par Adam Cohen, musicien et fils de Leonard Cohen. Le duo a été remplacé plus tard par Harry Gregson-Williams, chargé entre autres des bandes sonores de Shrek 4, il était une fin, X-Men Origins: Wolverine et Le Monde de Narnia : Chapitre 2 - Le Prince Caspian.
Pour le générique de fin de Mission : Noël Les aventures de la famille Noël, les producteurs ont décidé d'utiliser la version de Santa Claus Is Comin' To Town interprétée par Justin Bieber et présente dans son album de Noël Under The Mistletoe.
Fatiguée des films d'animation où il y a toujours un personnage méchant "juste pour le plaisir d'être méchant", la réalisatrice Sarah Smith a préféré inclure dans Mission : Noël Les aventures de la famille Noël un adversaire qui n'est pas forcément maléfique, juste "complètement paumé".
Une autre consigne de la réalisatrice aux dessinateurs des personnages était d'éviter les dessins trop "mignons", pour qu'Arthur et la famille Noël soient seulement "des personnes normales", légèrement asymétriques, "pas parfaitement coiffées".
Le récit d'un Père Noël qui distribue ses cadeaux à tous les enfants du monde impose un problème d'ordre géographique, lié au décalage horaire : comment présenter le fait que les familles australiennes reçoivent la visite du Père Noël avant les familles américaines ? Après des discussions acharnées sur cette question, l'équipe du film a décidé d'ignorer cette donnée en instituant dans l'histoire le fait que, pendant Noël, il fait nuit dans le monde entier.
Une autre question délicate à aborder était la présence des parents. Est-ce qu'il faudrait établir un lien entre les parents et la présence des cadeaux sous le sapin de Noël ? Sarah Smith a préféré ne rien dire de manière explicite, tout en laissant quelques indices : à chaque fois que les cadeaux sont présents, les parents sont déjà réveillés à la maison...
Pour le DVD de Mission : Noël Les aventures de la famille Noël, qui sera disponible quelques mois après la sortie du film en salles, Sarah Smith a prévenu qu'il n'y aura aucune scène supplémentaire supprimée pendant le montage : "Un film d'animation coûte tellement cher que nous ne pouvons pas avoir des scènes supprimées. C'est bien pour cela que nous créons le storyboard. On peut voir d'avance comment sera le film, et on s'engage à le faire en tant que tel."
Sarah Smith devait être la seule réalisatrice de Mission : Noël Les aventures de la famille Noël, mais lorsqu'elle est tombée enceinte pendant la production, l'équipe a dû demander de l'aide au scénariste Peter Baynham, devenu co-réalisateur.
L'entreprise Aardman Animations, productrice de Wallace & Gromit : Rasé de près et Chicken Run, a décidé d'inclure dans Mission : Noël Les aventures de la famille Noël plusieurs clins d'œil à ses personnages célèbres. Dans la chambre de Gwen, le spectateur peut entrevoir les affiches de Shaun le mouton et de Chop Socky Chooks, en plus des références à Wallace & Gromit : Un mauvais pantalon dans le premier tiers du film.
La société Aardman Animations, connue pour ses films d'animation en pâte à modeler, affirmait que Mission : Noël Les aventures de la famille Noël ne pouvait pourtant pas être tourné de cette manière : "Avec l'ampleur et la variété de l'univers et des décors de cette aventure, il n'était pas question d'envisager autre chose qu'un film en images de synthèse. On ne pouvait pas fabriquer un million de lutins en pâte à modeler ! Il nous semblait donc parfaitement logique de faire équipe avec Sony Pictures Animation." Ainsi, l'entreprise britannique s'est chargée du scénario, alors que l'animation créative et l'infographie ont été développées par Sony Pictures Animation et Sony Pictures Imageworks INC..
Pour ceux qui penseraient que la fonction d'un décorateur dans un film d'animation n'est pas très difficile, il faut savoir que le chef décorateur Evgeni Tomov s'est entouré de 25 artistes pour composer les décors de ce film. Une intense recherche de plusieurs mois a été nécessaire afin de trouver une unité aux endroits très différents dans lesquels se déroule l'histoire, du pôle Nord à l'Afrique, en passant par le Mexique, le Canada, l'Europe...
Aardman Animations et Sony Pictures Animation prennent le réalisme de leurs films très au sérieux. Pour la complexe scène dans laquelle Arthur devait emballer un vélo avec seulement trois morceaux de scotch, tout en pédalant à fond dessus, les animateurs ont décidé de prendre un vrai vélo pour enfants, donner seulement trois morceaux de scotch à chaque animateur et lancer ainsi un concours au sein de l'équipe, pour voir qui arriverait à résoudre le problème. L'animateur Alan Short raconte l'amusement de voir toute l'équipe par terre, dans les couloirs, à se casser la tête... La technique d'emballage (enfin) trouvée, il ne restait qu'à reproduire cet effet en animation : "Par la suite, l'animateur qui a supervisé cette séquence, Alan Hawkins, l'a préparée avec une extrême minutie - il pouvait vous dire quel chemin le vélo empruntait, et quelles parties étaient emballées ou pas", raconte le superviseur de l'animation Alan Short.
Comment un vaisseau spatial pourrait-il faire le tour de la Terre en une seule nuit ? Au lieu d'ignorer cette difficulté logistique très réaliste, les réalisateurs de Mission : Noël les aventures de la famille Noël ont décidé de concevoir un vaisseau spatial capable d'une telle prouesse, avec tous les calculs d'ingénierie fort compliqués que cela implique. Pour l'info, le vaisseau spatial du Père Noël atteint la vitesse de 10 378 km/h (8,4 fois plus vite que le son), a une largeur de 1,86km et une longueur de 3,35 km. La soute présente une capacité de 2 milliards de cadeaux, 62 103 salles de bains sont à la disposition des plus d'un million de lutins et 3 876 heures sont nécessaires au lavage du véhicule. Ah, pas de problème non plus avec les émissions de CO2, le vaisseau étant très respectueux de l’environnement : seulement 0,0000000000000000000000000000000015g de carbone sont émis tous les 1500 km parcourus.
Pour s’imprégner de l'atmosphère de Noël, certains animateurs du film ont décoré leurs bureaux avec des sapins, des boules de Noël, des guirlandes et des lumières typiques pendant toute la durée du travail, c'est-à-dire deux ans entiers !