Le scénario d'Oxygène a figuré en 2016 sur la Black List, qui recense les scénarios les plus appréciés mais en attente de production.
À l'origine, Anne Hathaway devait tenir le rôle principal du film, en plus de le produire. Elle est remplacée en février 2020 par Noomi Rapace, avant que celle-ci ne laisse finalement sa place à Mélanie Laurent.
Oxygène devait à l'origine être réalisé par Franck Khalfoun et produit par Alexandre Aja. Les deux hommes avaient déjà collaboré auparavant sur 2ème sous-sol et Maniac. Mais en raison de la pandémie de Covid-19, le projet se développe en France et c'est finalement Alexandre Aja qui prend en charge la mise en scène du long-métrage, dont le scénario est réécrit en français. Oxygène marque le retour en France d'Alexandre Aja, dix-huit ans après Haute Tension.