Avec La Vie aquatique, le réalisateur Wes Anderson retrouve certains de ses plus fidèles collaborateurs. Owen Wilson (Starsky et Hutch) est le premier de la liste, lui qui a accompagné le cinéaste sur tous ses films (Bottle rocket, Rushmore et La Famille Tenenbaum), à la fois comme acteur et comme cinéaste. Suivent Bill Murray, fidèle collaborateur depuis Rushmore, et Anjelica Huston, qui était de La Famille Tenenbaum.
Etudiant, Wes Anderson avait écrit une nouvelle dans laquelle figurait déjà Steve Zissou, son bateau (le "Belafonte"), et sa femme, qui se révélait en fait le cerveau de son expédition. Au fil des années, il a continué d'étoffer la personnalité et l'histoire de ce personnage avant de rédiger le scénario de La Vie aquatique avec la collaboration d'un ami de longue date, Noah Baumbach, scénariste et réalisateur.
Le bateau de Bill Murray est baptisé "Le Belafonte". C'est un clin d'oeil au célèbre crooner Harry Belafonte. Il s'agit par ailleurs d'un véritable dragueur de mines de 50 m de long et datant d'une cinquantaine d'années, que l'équipe du film est allé dénicher en Afrique du Sud.
C'est un requin jaguar qui hante les rêves de Steve Zissou; un monstre marin d'une taille gigantesque de 25 m dans le film. La créature pesait en fait 68 kg, et était tout de même l'une des plus grosses marionnette jamais créée pour le stop-motion.
Wes Anderson a souhaité dédier son film à la mémoire du commandant Cousteau, décédé en 1997. Mondialement connu, il avait, entre-autre, réalisé un documentaire sur les fonds marins, qui remporta la Palme d'or au Festival de Cannes en 1956.
Toutes les créatures, les récifs de corail, ont été entièrement inventés pour le film et ont pris vie grâce au travail de concepteurs, d'équipes de construction, de peintres, et de toute une équipe d'animation en stop-motion. C'est Henry Selick, en charge de l'équipe et auteur des animations de L'Etrange Noël de M. Jack, qui a supervisé ce fond marin 100% artificiel.
Le rôle de Jane Winslett-Richardson à été l'objet d'un casting particulièrement mouvementé. C'est Gwyneth Paltrow (déjà actrice pour Wes Anderson dans La Famille Tenenbaum) qui était initialement pressentie, mais un emploi du temps incompatible la contraint à renoncer. Wes Anderson engagea alors Nicole Kidman, très intéressée par le rôle. Mais cette dernière dut à son tour se désister, en raison d'autres engagements. C'est finalement Cate Blanchett qui fut désignée.
Les bonnets rouges que portent les personnages dans le film sont aussi un hommage à Jacques-Yves Cousteau, qui était un signe distinctif que les spectateurs aperçevaient au gré de ses explorations.
Non content d'interpréter une légende vivante de la plongée sous-marine, Bill Murray a réellement plongé pour les besoins de La Vie aquatique, allant même jusqu'à obtenir...son brevet de plongée, ayant 40 heures à son actif.
Le tournage de La Vie aquatique s'est entièrement déroulé en Italie. Les extérieurs ont été effectués à Rome, Florence et Naples, alors que les scènes intérieures ont été tournées dans les célèbres studios romains de Cinecittà.