Năm 2010, khi Tây Du Ký: Đại Náo Thiên Cung lần đầu tiên được công bố, cả Lý Liên Kiệt và Chân Tử Đan đều được để mắt đến cho một vai diễn. Chân Tử Đan được chọn vào vai chính là Tôn Ngộ Không vào tháng 5 năm đó. Sau đó, Châu Nhuận Phát và Quách Phú Thành lần lượt được chọn vào vai Ngọc Hoàng và Ngưu Ma Vương. Vai diễn của Quách Phú Thành được cho là phá vỡ truyền thống vì đẹp trai, phong cách và đấu tranh vì tình yêu.
Tây Du Ký: Đại Náo Thiên Cung ban đầu được đầu tư 300 triệu nhân dân tệ nhưng sau đó đã tăng lên 400 triệu (Khoảng 55 triệu USD). Các công ty sản xuất bao gồm Filmko, Mandarin Films, China Film Group, Shenzhen Golden Shores Films, Zhejiang HG Entertainment, Dongguan Boning Entreprise and Investment, Beijing Wen Hua Dong Run Investment Co., Ltd., China Film Co-Production Corporation và Global Star Productions, Inc. Michael Wehrhahn, Chủ tịch của Global Star Production, Inc, đã hợp tác với cựu chủ tịch Imagine Films / Universal Television Robert Harris để sản xuất và phát hành các phim truyện cao cấp cho thị trường Hoa Kỳ và Châu Á.
Các diễn viên khác bao gồm Trương Bá Chi, Lê Tư, Trần Tuệ Lâm, Hà Nhuận Đông, Trần Kiều Ân và Lưu Diệp. Trương Tử Lâm, người chiến thắng Hoa hậu Thế giới 2007, đã tham gia bộ phim, đóng vai Nüwa, thay thế Trương Bá Chi, người ban đầu được chọn vào vai này. Tử Lâm tuyên bố rằng cô chưa bao giờ nghe nói rằng Bá Chi sẽ tham gia bộ phim.
Đối với cảnh quay 3-D, Filmko đã tuyển dụng các tài năng của Hollywood. Đoàn làm phim bao gồm David Ebner (Alice ở xứ sở thần tiên, Người nhện 3), người đảm nhiệm vai trò giám sát hiệu ứng hình ảnh cho bộ phim và Shaun Smith (Vương quốc cấm, 300, Tôi là huyền thoại) là giám sát trang điểm đặc biệt.