La productrice Corinne Kouper explique que le projet du film Gus petit oiseau, grand voyage est né lorsque le scénariste Antoine Barraud a découvert des images montrant un père et son fils regardant un groupe d'oiseaux allant dans la mauvaise direction. C'était un signe du destin, puisque durant la même semaine la productrice a écouté des anecdotes sur les oiseaux migrateurs racontées à la radio par l'ornithologue Guilhem Lesaffre.
La musique du film a été composée par Stephen Warbeck, qui n'est autre que le compositeur des films Billy Elliot, Polisse et Shakespear in Love. Lorsqu'il est arrivé sur le projet de Gus petit oiseau, grand voyage, le compositeur a associé toutes les idées que le réalisateur Christian De Vita avait imaginées, car celui-ci travaille son story-board avec certaines musiques à l'esprit. Ils se sont alors tournés vers un genre musical tsigane avec des guitares et des violons.
Gus petit oiseau, grand voyage a été réalisé entièrement en 3D stéréoscopique dans des studios situés en France à Bourg-Lès-Valence et à Paris. En ce qui concerne l'enregistrement du son et de la musique, les équipes étaient situées en Belgique.
La rencontre entre Benjamin Renner (développeur visuel) et Corinne Kouper (productrice) s'est faite alors que le premier était encore étudiant à l'école du film d'animation La Poudrière à Bourg lès Valence. Il venait de projeter son court-métrage de fin d'étude intitulé La Queue de la souris (nommé aux César 2012). La productrice lui a alors proposé le scénario de Gus petit oiseau, grand voyage qu'il accepta dès la fin de l'été.
Benjamin Renner et Corinne Kouper ont souhaité concevoir des oiseaux dont les mains ne seraient pas des ailes, ils voulaient trouver une certaine originalité dans la façon de créer ces personnages à plumes. De plus, ils ont décidé d'identifier les différentes familles d'oiseaux par des couleurs et par des allures diverses. C'est pourquoi, le jeune créateur a inventé des plumes stylisées ressemblant presque à des écailles. Elles ont été peintes une par une, à la main. Il précise : "J’ai dessiné une forme proche de la plume et j’ai commencé à la dupliquer pour composer un personnage. C’est à mi-chemin entre la mosaïque et la sculpture, une technique particulière qui me permettait de garder la sensation de plumage sans pour autant chercher à être ultra réaliste."
Le projet Gus petit oiseau, grand voyage a débuté avant la sortie de Rio sur les écrans, évoquant alors les aventures d'une espèce particulière d'oiseau tropical en voie de disparition, le perroquet bleu. Ainsi, les créateurs ont dû rivaliser de créativité pour se démarquer de la concurrence, c'est pourquoi, ils ont choisi de se diriger vers un film 100% 3D, tout en gardant des techniques traditionnelles du film d'animation. Cette technologie aura coûté cher à l'équipe, puisque le budget s'est envolé jusqu'au 10 millions d'euros.
Le film aura nécessité une équipe de 300 personnes afin de passer du dessin, au choix des couleurs puis pour finir, à l'animation en 3D. La productrice ajoute : "Le travail reste artisanal même si les technologies employées sont innovantes comme pour ces nuages volumiques ou les plumes animées par le vent qui ont nécessité le développement de logiciels spécifiques."
Les oiseaux ont été créés à partir des anecdotes de l'ornithologue Guilhem Lesaffre pour plus de réalité. De plus, chaque oiseau du film ressemble à une race particulière que l'on trouve dans la nature. Ainsi, Gus est semblable à un petit échassier, Delf prend les traits d'une hirondelle, Karl est mi-vautour, mi-corbeau et Darius peut être rapproché du Grand Duc.
Christian De Vita n'en est pas à son coup d'essai du côté du cinéma d'animation. En effet, après avoir fait ses classes en Italie, le réalisateur a eu la chance de collaborer avec Wes Anderson en tant que chef storyboarder pour Fantastic M. Fox, ainsi qu'avec Tim Burton sur le tournage de Frankenweenie.
L'ornithologue Guilhem Lesaffre explique que lorsque les oiseaux migrent, tout d'abord les petits prennent exemple sur les grands afin de pouvoir ensuite reproduire le trajet au moment de l'âge adulte. Par ailleurs, ils se repèrent dans le ciel grâce aux lignes du paysage, mais aussi grâce aux infrastructures créées par l'homme, comme les routes. Parfois, surpris par le brouillard ou la pluie, ils sont obligés de s'arrêter en pleine ville. De plus, ils sont confrontés à de nombreux dangers, tels que les lignes à haute tension et les avions.
C'est une première expérience pour Arthur Dupont (la voix du personnage principal Gus) qui ne s'était encore jamais essayé à l'exercice du doublage d'un personnage de film d'animation. En revanche, les autres acteurs comme Pierre Richard, Sara Forestier et Bruno Salomone avaient déjà une certaine expérience dans le domaine.