Deux réalisateurs sont crédités au générique de Casse-Noisette et les quatre royaumes : Lasse Hallström, qui s'est chargé des prises de vues principales, et Joe Johnston, qui s'est occupé d'importants reshoots. Une décision prise par la Directors Guild of America qui s'avère plutôt rare, voire inédite, puisque c'est d'ordinaire uniquement le réalisateur qui a tourné la plus grande partie du métrage qui est crédité.
Casse-Noisette et les quatre royaumes s'inspire à la fois du conte original écrit par Ernst Theodor Amadeus Hoffmann en 1816, qui avait pour titre Casse-Noisette et le Roi des souris, et du ballet de Piotr Ilitch Tchaïkovski composé en 1892 et inspiré de la version d'Alexandre Dumas, Histoire d'un casse-noisette.
Pour le réalisateur Lasse Hallström, "Chacune des mises en scène qu’a connues ultérieurement ce ballet était unique, il n’a cessé d’évoluer grâce à l’esprit de ceux qui les créaient. Nous avons fait de même : nous avons apporté encore du nouveau à l’histoire".
Misty Copeland et Sergei Polunin, deux grands noms de la danse classique, participent au film. Copeland est première danseuse à l’American Ballet Theatre tandis que son comparse est un célèbre danseur ukrainien vu dans Le Crime de l'Orient-Express et Red Sparrow.
Tous deux sont liés à l'oeuvre de Tchaïkovski puisqu'il s'agit, pour la première, de son tout premier ballet: "J’avais 13 ans, et je dansais depuis huit ou neuf mois seulement quand j’ai interprété le rôle de Clara. L’année suivante, j’étais la Fée Dragée". Polunin a quant à lui dansé tous les rôles du ballet sur 30 ou 40 représentations. Il connaissait par ailleurs le chorégraphe du film, Liam Scarlett, qu'il avait rencontré à l’école du Royal Ballet à Londres.
Keira Knightley, qui interprète la Fée Dragée, revient sur son timbre qu'elle a modifié pour le film : "C’est le thème musical de la Fée Dragée, tout en note cristalline, qui m’a fait adopter cette voix haut perchée qui confère à mon personnage une féminité pure, cristalline, et en même temps un côté très sûr d’elle".
Casse-Noisette et les quatre royaumes a été tourné en Angleterre, aux Pinewood Studios et dans différents endroits de Londres et de sa région.
La boîte à musique est un objet très spécial qui tient un rôle central dans le film. Le chef décorateur Guy Hendrix Dyas s'est inspiré de l'histoire et de la culture russes qu'il a étudiées pour concevoir l'architecture du Palais : "j’ai gardé en tête les œufs de Fabergé. C’était une idée très intéressante. C’est ainsi que la boîte à musique a pris la forme d’un œuf à la surface décorée d’ornements complexes gravés".
Quant à la clé qui sert à l'ouvrir, si elle a une configuration ordinaire de l'extérieur, il y a en réalité "une série d’aimants [qui] obligent les crans à tourner pour prendre une forme en étoile quand on l’insère dans la serrure".
Comme l'indique son titre, l'univers de Casse-Noisette se compose de quatre royaumes, dont trois sont intégralement réalisés en images de synthèse. Le quatrième ainsi que le Palais sont faits d’un mélange de décors réels et d’infographie. Le superviseur des effets visuels Max Wood explique : "Une fois que les concepts visuels de Guy Hendrix Dyas ont été approuvés, son équipe a commencé à agencer cet univers en infographie, y compris un Palais très détaillé. J’ai travaillé étroitement avec Guy et son infographiste 3D pour m’assurer de conserver l’échelle correspondant au monde réel. Par exemple, l’eau des cascades respecte la pesanteur et les montagnes ont la bonne hauteur. Même si on est dans un pays imaginaire, il ne faut pas s’affranchir des règles physiques sinon on bascule dans quelque chose d’irréaliste. Le public doit apprécier la beauté de ces mondes sans avoir à se poser de question".
Dans le Quatrième Royaume anciennement appelé le Pays du Divertissement se trouve un carrousel grandeur nature "qui a nécessité une ingénierie compliquée et des effets spéciaux pour montrer qu’il s’écroule et tourne en biais" explique Craig Narramore, le responsable de la fabrication des accessoires. Il précise : "Nous avons créé une dizaine de lanternes richement décorées et 25 animaux dans l’esprit des manèges d’autrefois : girafes, dragons, autruches – tous sculptés dans de la mousse expansée".
Les costumes du film ont nécessité un travail considérable, en particulier les robes. Celle de la cérémonie du couronnement portée par Mackenzie Foy est celle qui a demandé le plus de travail. Elle a nécessité 127 panneaux de tulle léger, 22 mètres de chaînette de strass, 348 mètres de fil tissé or et argent, 2500 cristaux Swarovski et 1428 petites lumières.
Quant à la robe de la Fée Dragée, il s'agit du costume le plus volumineux du film, au point que la jupe était trop large pour passer à travers les portes et que Keira Knightley ne pouvait pas s'asseoir sur une chaise normale. Il a fallu plus de 100 mètres de tissu pour confectionner cette robe, dont la première version a vu le jour à l'issue de plus de 1000 heures de travail.
Le Roi des souris est une silhouette géante entièrement réalisée en images de synthèses et constituée de 60 000 souris qui ne cessent de se mouvoir. Une trentaine de personnes ont travaillé pendant plus de six mois à sa conception. Pour créer les mouvements de ce personnage, l'équipe a fait appel au danseur Lil Buck. Celui-ci se souvient : "Ils m’ont fait enfiler un drôle de costume et m’ont demandé de faire tous mes mouvements caractéristiques les plus stupéfiants. C’est un bonheur d’avoir été choisi pour quelque chose d’aussi époustouflant !" L'artiste connaissait bien le personnage puisqu'il l'avait déjà joué dans une version du ballet de son école, le New Ballet Ensemble, à Memphis, dans le Tennessee.
La musique du film est composée par James Howard, interprétée notamment par le pianiste mondialement réputé Lang Lang et enregistrée par le Philharmonia Orchestra à Londres sous la direction de Gustavo Dudamel. La bande originale comprend le morceau Fall on Me, chanté par Andrea Bocelli et son fils, Matteo Bocelli.