Le film est basé sur Firefly, une série télévisée qui a été annulée par la Fox en décembre 2002. La Fox a arrêté la série après que 11 de ses 14 épisodes aient été diffusés. Après avoir essayé de faire diffuser la série par une autre chaîne, le créateur Joss Whedon a tenté de la vendre comme un film. Il a été présenté à Mary Parent de Universal Pictures, qui a accepté de faire le film après avoir visionné les épisodes en DVD.
Après qu'Universal Studios ait obtenu les droits cinématographiques de Firefly de la Fox, Whedon a commencé à écrire le scénario. Universal voulait commencer à faire le film en octobre 2003, mais des problèmes avec le scénario les ont obligés à attendre jusqu'en juin 2004 pour commencer le tournage du film. Universal ne voulait pas dépenser la somme d'argent habituelle pour une histoire se déroulant dans l'espace (100 millions de dollars). Whedon leur a dit qu'il pouvait le faire pour moins cher. Il leur a également dit qu'il pouvait le faire en 50 jours, au lieu des 80 jours habituels. Le 3 mars 2004, le film a reçu le feu vert pour commencer à être réalisé. Il a été présenté avec un budget de seulement 40 millions de dollars.
Ils ont commencé à filmer le film le 3 juin 2004. Joss Whedon a déclaré que le film s'appellerait Serenity pour le séparer de la série télévisée. Les neuf acteurs principaux de la série télévisée (Adam Baldwin, Alan Tudyk, Gina Torres, Jewel Staite, Morena Baccarin, Nathan Fillion, Ron Glass, Sean Maher et Summer Glau) sont tous revenus pour le film. Le 17 septembre 2004, Joss Whedon a déclaré sur le site officiel du film que le tournage était terminé.
Whedon a dû prendre une série télévisée que peu de gens avaient vue et expliquer l'idée du film. Il devait le faire sans ennuyer le public ou les fans de la série télévisée. Il a fait cela en faisant [...] des choses au début du film. Au début, c'est juste une voix qui raconte ce qui s'est passé. Ensuite, il est montré comme une salle d'école où la voix était celle du professeur. Ensuite, on montre que tout cela n'était que des souvenirs dans l'esprit d'un des personnages.
Comme le budget n'était pas très important, on a utilisé autant que possible des effets spéciaux physiques. Ils ont fait autant de décors et d'accessoires que possible pour utiliser moins d'effets CGI. La scène la plus difficile sur le plan technique était la poursuite d'un skiff à dos de mule. Comme cela coûterait trop cher, un cardan (une platine hydraulique) et des images de synthèse, comme la scène de course de pods dans Star Wars Episode I : La menace fantôme, n'ont pas pu être utilisés. L'équipe de production doit trouver d'autres moyens de faire les choses. Ils ont construit une remorque reliée au "hover craft" du film et ont tourné la scène en remontant une autoroute au nord de Santa Clarita. Le superviseur des effets visuels de Serenity, Loni Peristere, a déclaré dans un article du Los Angeles Times "Traditionnellement, cela aurait été, comme, un tournage de 30 jours. Je pense que nous l'avons fait en cinq jours".
Un élément de l'émission de télévision qui ne pouvait pas être réutilisé était le décor original de l'intérieur du navire Serenity. Il a dû être construit pour le film, en utilisant des images du DVD de Firefly. La société qui a réalisé les graphismes de la série a également dû changer le modèle informatique du Serenity. Le modèle de télévision n'était pas assez bon pour les écrans de cinéma haute définition et les DVD HD.