Les Pingouins, personnages secondaires de la série de films Madagascar, passent en tête d’affiche pour ce film. Leur succès n’est pourtant pas nouveau, puisqu’une série d'animation télévisée leur était déjà dédiée depuis 2009. Par ailleurs, Les Pingouins de Madagascar ne tient pas compte de la série animée et est présenté comme un sequel de Madagascar 3, Bons Baisers D’Europe.
C’est la première fois que les stars John Malkovich et Benedict Cumberbatch prêtent leur voix dans un film d’animation. Cependant, ce dernier n’est pas débutant dans le doublage puisqu’il interprète le dragon Smaug et le Nécromancier dans Le Hobbit : la Désolation de Smaug et Le Hobbit : La Bataille des Cinq Armées.
Dès le succès du premier Madagascar en 2005, Dreamworks avait annoncé le projet d’un film axé sur les pingouins pour une sortie DVD en 2009. En mars 2011, l’idée d’un spin-off au cinéma a finalement été évoquée. Un an plus tard, lors du Comic-Co de San Diego, l’équipe du film annonçait une sortie dans les salles pour 2015 avec de nouveaux scénaristes, avant que la date ne soit définitivement fixée au 17 décembre 2014, soit presque 10 ans après le lancement du projet.
Avant même de savoir si le film serait un succès, Les Pingouins de Madagascar ont fait des petits. En effet, un comics de 4 numéros basé sur le film et publié par Titans Comics était déjà prévu, ainsi qu’un jeu vidéo pour la fin de l’année 2014.
Eric Darnell, co-réalisateur du film Les Pingouins de Madagascar, est un habitué de la franchise puisqu'il a réalisé Madagascar, Madagascar 2 et Madagascar 3 : Bons baisers d'Europe.
C'est la troisième fois que les deux réalisateurs travaillent sur un même film. Aujourd'hui à la réalisation des Pingouins de Madagascar aux côtés de Eric Darnell, Simon J. Smith a déjà travaillé avec le réalisateur sur le tournage de Fourmiz, pour lequel il était maquettiste. Eric Darnell était également animateur sur Shrek, tandis que Simon J. Smith était maquettiste.
Tom McGrath, réalisateur de Madagascar, Madagascar 2 et Madagascar 3 : Bons baisers d'Europe double la voix de Skipper, un des pingouins présent dans les trois films ainsi que dans Les Pingouins de Madagascar. Kowalski est lui doublé par Chris Miller (animateur chez DreamWorks), Rico par Conrad Vernon (animateur chez DreamWorks) et Soldat par Christopher Knights (chef-monteur).
Indissociables, les quatre pingouins forment une équipe parfaite car ils se complètent les uns les autres. Ils se rapprochent d'équipes telles que celles de L'Agence tout risques ou Star Trek. Le réalisateur explique : "Ils fonctionnent extrêmement bien en groupe, et bien mieux qu'ils ne le feraient individuellement. Ce sont, en quelque sorte, les quatre éléments d'un cerveau des plus performants : Commandant incarne le leadership, Soldat le coeur, Kowalski l'intelligence et Rico le courage."
Le début du film parodie les documentaires comme La Marche de l'Empereur. On croise ainsi dès les premiers plans de Les Pingouins de Madagascar un réalisateur filmant une file de pingouins. Clin d'oeil : c'est Werner Herzog, réalisateur du documentaire sur l'Antarctique, Rencontres au bout du monde qui prête sa voix au personnage !
Pour créer le personnage maléfique d'Octavius Baigne, les réalisateurs se sont inspirés des méchants de la saga James Bond.
Lorsque Dave donne des ordres à son équipe, des noms de célébrités ont été glissés dans les répliques. Ainsi, on peut par exemple l'entendre dire "Nicolas, Cage-ôle bien nos Pingouins !" (Nicolas Cage).