Cowboy Bebop est tiré de la série homonyme diffusée depuis 1998 au Japon et à partir de juin 2001 sur Canal + en France. La mise en chantier d'un long métrage basé sur les 26 épisodes (25 minutes chacun) de la série est annoncée en septembre 1999. Le film n'est cependant pas un transfert des épisodes d'origine sur grand écran mais bien le développement d'une nouvelle aventure spécialement conçue pour le cinéma. Selon les spécialistes, cette dernière pourrait se situer entre les épisodes 22 et 23 de la série télévisée.
La mise en chantier de Cowboy Bebop a été retardée par la réalisation d'un autre long métrage basé sur une série télévisée. Escaflowne, tiré de la série très populaire Escaflowne, a en effet mobilisé bon nombre de techniciens engagés sur Cowboy Bebop, tels le directeur de l'animation Toshihiro Kawamoto ou la compositrice Yoko Kanno.
Désireuse de créer un univers propre au film et indépendant de sa série d'origine, l'équipe de Cowboy Bebop s'est notamment déplacée au Maroc dans le but de créer les décors de "Maroccan street", le quartier arabe de Mars montré dans le film.
Originellement prévu sur une durée de 90 minutes, Cowboy Bebop est passé en cours de production à 120 minutes, ses réalisateurs estimant ce temps nécessaire au bon développement de leur histoire. Une décision qui a fait grincer quelques dents du côté des techniciens engagés sur le film et placés devant une surcharge de travail.