Filmé en juin 2001, Les Fantômes du Titanic a permis au réalisateur James Cameron de retrouver la célèbre épave six ans après sa première plongée sous les eaux de l'Atlantique pour préparer son Titanic. Le documentaire débarque sur les écrans français en septembre 2003, soit près de cinq ans et demi après la sortie phénoménale du film aux onze Oscars, en janvier 1998 en France.
James Cameron est un véritable passionné de plongée, sport qu'il pratique régulièrement. De Piranha 2 - Les Tueurs volants aux Fantômes du Titanic, la filmographie du réalisateur est fortement influencée par cette passion, avec Abyss et Titanic comme exemples les plus frappants. Avant Les Fantômes du Titanic, James Cameron avait déjà réalisé un autre documentaire sous-marin intitulé Expedition : Bismarck, consacré à l'épave du Bismarck, navire de guerre allemand coulé en 1941.
Narrateur sur Les Fantômes du Titanic et à ce titre membre de l'expédition sous-marine entreprise en juin 2001, Bill Paxton est un fidèle de James Cameron depuis un petit rôle en 1984 dans Terminator à son interprétation de l'aventurier Brock Lovett dans Titanic.
Dans l'esprit de James Cameron, la plongée effectuée en juin 2001 vers le Titanic devait avant tout être destinée au public : "Pour permettre aux spectateurs d'être au plus proche de l'émotion de la découverte, nous avons souhaité présenter le film en grand format et en relief", explique-t-il. "Même si cela compliquait singulièrement le tournage, c'était le seul moyen de présenter le paquebot et son incroyable atmosphère dans toute leur dimension."
Présenter Les Fantômes du Titanic "en grand format et en relief", comme le souhaitait James Cameron, a nécessité l'élaboration d'outils de tournages révolutionnaires. Une charge dévolue à Mike Cameron, le frère du cinéaste, qui a dû concevoir des optiques parallèles baptisées "Jake" et "Elwood" pour rendre le relief, mettre au point des techniques de téléguidages sophistiquées et créer des mécanismes capables de résister à la pression de l'eau. La fabrication de tous ces instruments à nécessité deux ans.
Pour cette nouvelle plongée en direction du Titanic, James Cameron s'est entouré de professionnels du sujet. Le réalisateur et son équipe ont ainsi embarqué à bord du navire russe Keldysh, déjà à l'écran en 1997 dans Titanic, équipé de deux sous-marins Mir capables de plonger à grande profondeur. Outre les scientifiques du Keldish, James Cameron était également entouré de la microbiologiste Lori Johnston, du Professeur Charles R. Pellegrino, microbiologiste et historien, et des historiens Ken Marschall et Don Lynch, tous deux experts du Titanic.
Selon James Cameron, "les biologistes sont formels : les micro-organismes rongent les structures du navire. Il est probable que d'ici 2020 ou 2030, le Titanic s'effondrera sur lui-même, engloutissant définitivement les secrets qu'il renferme encore."
Les Fantômes du Titanic a été présenté hors compétition au 53e Festival de Cannes en mai 2003. Pour l'occasion, des lunettes spéciales 3-D avaient été distribuées à l'entrée du Palais. Le film est également présenté hors-compétition au festival de Deauville 2003.