André Nemec et Josh Appelbaum sont partenaires d’écriture et de production depuis 1998. Ensemble, ils ont notamment collaboré sur les série Alias et Life on Mars et sur Mission: Impossible - Protocole fantôme. C'est la première fois de leur carrière qu'ils travaillent sur un film d'animation.
André Nemec et Josh Appelbaum ont imaginé un parc d'attractions hors-norme, en étroite collaboration avec le chef décorateur Fred Warter. On peut par exemple voir dans le film une attraction sur une rivière déchaînée composée de feux d'artifice qui propulsent les passagers du haut d'une montagne. Warter explique : "On a d’abord observé des rapides de classe 5 pour essayer de les reproduire. On a aussi cherché les différents types de feux d’artifice qu’on pouvait intégrer et donc, d’une certaine façon, tout s’inspire de la réalité". Le film comporte également des montagnes russes qui se transforment en grande roue, dont la dynamique de cause à effet s'inspire des créations du dessinateur américain Rube Goldberg.
Le chef éclairagiste Miguel Pablos Contreras a cherché à ajouter un effet de lumière naturelle en jouant sur les ombres et les imperfections du monde réel : "Certaines scènes sont faites pour avoir l’air surexposées, et d’autres sous-exposées. On a pensé à l’emplacement du soleil dans le ciel et aux effets sur le rendu à l’image. On perçoit la présence de la caméra dans toutes les scènes".
C'est Steven Price, oscarisé pour son travail sur Gravity d’Alfonso Cuarón, qui a signé la musique du Parc des merveilles. C'est la première fois qu'il travaille sur un film d'animation, un défi pour lui : "L’une des particularités du cinéma d’animation, qui est à la fois une joie et un défi, c’est que rien n’est à l’image par hasard. Ma partition comportait une certaine structure, puis j’ajoutais des éléments au fur et à mesure que je remarquais des détails dans l’animation. Ces deux aspects associés ont largement dépassé la simple somme des parties".
Le Parc des merveilles aurait été le premier long métrage en tant que réalisateur de Dylan Brown, un animateur venu de chez Pixar. Son nom a été écarté du projet en janvier 2018 après des accusations d'inconduite sexuelle. Par conséquent, aucun réalisateur n'est crédité au générique du film. Une décision étonnante et risquée car la Director's Guild n'autorise habituellement pas la sortie d'un film dans ces conditions pour des raisons d'obligations contractuelles.