C'est le cinquième film dans lequel jouent ensemble Morgan Freeman et Ashley Judd. Outre le premier volet de l'Incroyable histoire de Winter le dauphin, ils apparaissaient tous deux à l'affiche du Collectionneur (1997), de Gary Fleder, de Crimes et pouvoir (2002), de Carl Franklin, et dans La Chute de la Maison Blanche (2013) d'Antoine Fuqua.
Alors que l'on retrouve le véritable dauphin qui avait été sauvé et recueilli par le centre Clearwater du premier opus, c'est bel et bien un vrai, nouveau pensionnaire nommé Hope, sauvé par ce même centre en 2010, qui incarne son propre personnage à l'écran. Les deux dauphins partagent en effet le même bassin au sein de l'aquarium et c'est Winter qui fut chargé de l'éducation du jeune animal.
Le réalisateur Charles Martin Smith est un habitué des tournages avec des animaux. Il avait en effet tourné, en 1997, un film sur chien joueur de basket, Buddy star des paniers et avait joué, en tant qu'acteur, en compagnie de chevaux dans Le Galop de la liberté (2002) d'Eleanor Lindo et avec des loups dans Un Homme parmi les loups (1983) de Caroll Ballard.
Alors que sortait en 2010 L'Incroyable Histoire de Winter le dauphin, l'association Sea Sheperd lançait une campagne contre la chasse illégale des baleiniers en Antarctique, notamment envers le Japon, L'opération "No Compromise" sauva ainsi la vie à près de 2000 baleines. Le groupe se trouvait également dans le port de Tiaji (Japon) pour filmer et communiquer au monde entier le massacre perpétré annuellement sur les dauphins. En 2014, à la sortie du deuxième volet des aventures du fameux dauphin, le tribunal de La Haye tranchait enfin en faveur des écologistes, interdisant la chasse japonaise de baleines en Antarctique. Malheureusement, et ce malgré la protestation de Caroline Kennedy, l’ambassadrice des Etats-Unis à Tokyo, et les agissements de Sea Sheperd, rien n'a encore été fait pour empêcher le massacre des dauphins à Tiaji.
Morgan Freeman est un vrai scientifique ! Son rôle de docteur dans L'Incroyable histoire de Winter le dauphin 2 est loin d'être sa première incarnation doctorale. Et ses aptitudes sont des plus variées : inventeur de gadget batmaniens dans la trilogie The Dark Knight, de nouveau docteur dans Le Collectionneur, scientifique du futur dans Transcendence, il joue même le docteur suprême dans Bruce tout puissant : Dieu !
Le tournage du film commença le 7 octobre 2013 à l'aquarium de Clearwater, en Floride et finit début janvier 2014. Le casting du film original sera de retour au complet, ainsi que certains animaux secondaires, tels que Rufus le pélican. Outre les deux dauphins Winter et Hope, le film s'attache à Mandy, un dauphin que le centre relâcha avec succès, après réhabilitation, dans la nature. Le scénario du film se base de nouveau sur des éléments réels survenus à l'aquarium, qui resta par ailleurs ouvert au public le week-end pendant toute la durée du tournage.
La surfeuse hawaïenne Bethany Hamilton, qui a déjà fait plusieurs apparitions dans divers shows et séries télévisées, joue pour la première fois pour le grand écran dans L'Incroyable Histoire de Winter le dauphin 2. Elle y incarne son propre rôle, le bras qui lui fut arraché par un requin tigre lorsqu'elle avait 13 ans étant mis en parallèle avec la queue coupée de Winter, ainsi que leur acharnement à s'en sortir. Elle n'a cependant pas joué dans le premier volet de l'aventure.