A l'origine, c'est l'actrice Angelina Jolie qui avait été pressentie pour tenir le rôle principal de la mutante Lucy. Finalement, c'est Scarlett Johansson qui a décroché le rôle.
Au mois de juin 2013, le directeur général d'EuropaCorp, Christophe Lambert, a déclaré que Lucy aurait "le budget le plus élevé de toute l'histoire de la société EuropaCorp". Pour le moment, le budget officiel du film d'anticipation n'a pas encore été dévoilé.
Lucy a été majoritairement tourné en France au mois de septembre 2013. D'abord dans les locaux de la Cité de Cinéma de Luc Besson en Seine-Saint-Denis, puis à la falaise d'Aval à Étretat en Haute-Normandie, et à Saint-Chely-du-Tarn en Lozère. L'équipe de tournage a également posé ses caméras à Taipei sur l'île de Taïwan en octobre.
En octobre 2013, alors en tournage pour onze jours dans la ville de Taipei sur l'île de Taïwan, l'équipe de Luc Besson a menacé d'interrompre le tournage en raison de la pression exercée par les médias et plus particulièrement les paparazzis, tenaces et irrespectueux, a rapporté The Hollywood Reporter. En effet, ces derniers, venus en masse, auraient franchi le périmètre de sécurité à ne pas dépasser en cas de tournage de film et même empêché Scarlett Johansson, entre deux prises, de sortir de sa voiture. Résultat ? L'un d'eux serait reparti avec son appareil photo cassé en mille morceaux.
Du 27 mars au 2 avril 2014, l'équipe de Lucy a organisé une campagne virale de grande ampleur afin de mettre en haleine les internautes. En effet, ces derniers étaient invités chaque jour à venir déchiffrer un message sur un site dédié. A l'intérieur de ces messages aux contenus relatifs avec les capacités cérébrales de l'homme, y étaient dissimulés un code secret. Une fois le code en main, les participants avaient accès à des images exclusives du film de science-fiction.
C'est la sortie d'Avatar en 2010 qui a motivé Luc Besson a déployer un projet d'une telle ampleur. Ecrit, réalisé et produit par ce dernier, il a confié n'avoir jamais mis "autant d'effets spéciaux" dans un de ses films : "Quand j'ai fait Le Cinquième Élément, j'avais des outils technologiques qui étaient un peu obsolètes déjà. (...) Avec l'arrivée du numérique, c'est incroyable ce qu'on peut faire. On peut imaginer n'importe quoi, il y aura toujours des techniciens pour vous suivre dans votre délire. Je pense que le tournage sera en 2012-2013, parce que ça va être très très gros", a-t-il confié au micro d'Europe 1 en octobre 2010.
Lucy a obtenu aux Etats-Unis la classification "R-Rated", à savoir que le film a été interdit aux moins de 17 ans non accompagnés d'un adulte.
Lucy ayant nécessité plus de 1000 plans d'effets spéciaux, la production a décidé de faire appel aux meilleurs experts en la matière :
ILM (Industrial Light & Magic fondé par George Lucas), situé dans le quartier du Presidio de San Francisco.
Le superviseur Effets visuels oscarisé pour Au-delà de nos rêves, Nicholas Brooks, qui a récemment travaillé sur Insaisissables, a dirigé les opérations.
Les effets sonores et le montage son sont signés Guillaume Bouchateau (Jack et la mécanique du cœur, Les Immortels), Aymeric Devoldere (The Prodigies), et Shannon J. Mills, de Skywalker Sound, lauréat de quatre MPSE Golden Reel Awards du meilleur montage son pour Avatar, Cars, Atlantis : L'Empire perdu et Titanic. Le mixage du film a été assuré par Didier Lozahic (The Lady, Malavita), en collaboration avec le mixeur son David Parker (La Vengeance dans la peau, Le Patient anglais).
Avec 20 millions de dollars engrangés pour son premier week-end d'exploitation, du 24 au 26 octobre 2014, Lucy a pris la tête du box-office chinois dès son entrée en piste, et offert à Luc Besson son plus gros succès dans le pays.