Il film è basato su Firefly, una serie televisiva che è stata cancellata dalla Fox nel dicembre 2002. La Fox ha interrotto la serie dopo che erano stati trasmessi 11 dei suoi 14 episodi. Dopo aver cercato di convincere un altro network a mostrare la serie, il creatore Joss Whedon ha cercato di venderla come film. Gli fu presentata Mary Parent con la Universal Pictures, che accettò di realizzare il film dopo aver visto gli episodi in DVD.
Dopo che gli Universal Studios hanno ottenuto i diritti cinematografici di Firefly dalla Fox, Whedon ha iniziato a scrivere la sceneggiatura. La Universal voleva iniziare a girare il film nell'ottobre del 2003, ma per problemi con la sceneggiatura hanno dovuto aspettare fino al giugno del 2004 per iniziare a girare il film. Universal non voleva spendere la normale somma di denaro per una storia ambientata nello spazio (100 milioni di dollari). Whedon ha detto loro che poteva farlo per meno. Ha anche detto loro che poteva farlo in 50 giorni, invece dei soliti 80 giorni. Il 3 marzo 2004 è stato dato il via libera alla realizzazione del film. È stato dimostrato che aveva un budget di soli 40 milioni di dollari.
Hanno iniziato le riprese del film il 3 giugno 2004. Joss Whedon ha detto che il film si sarebbe chiamato Serenity per tenerlo separato dalla serie TV. Tutti e nove i principali attori della serie televisiva (Adam Baldwin, Alan Tudyk, Gina Torres, Jewel Staite, Morena Baccarin, Nathan Fillion, Ron Glass, Sean Maher e Summer Glau) sono tornati per il film. Il 17 settembre 2004, Joss Whedon ha detto sul sito ufficiale del film che le riprese erano state fatte.
Whedon ha dovuto prendere una serie televisiva che non molti avevano visto e spiegare l'idea del film. Doveva farlo senza annoiare il pubblico o i fan della serie televisiva. Lo ha fatto facendo[] cose all'inizio del film. All'inizio è solo una voce che racconta quello che è successo. Poi si mostra come un'aula scolastica dove la voce era quella dell'insegnante. Poi si è visto che si trattava solo di ricordi nella mente di uno dei personaggi.
Poiché il budget non era molto elevato, sono stati utilizzati il più possibile effetti speciali fisici. Hanno fatto come set e oggetti di scena come potevano usare meno effetti CGI. La scena tecnicamente più impegnativa è stata l'inseguimento con la mula. Poiché sarebbe costato troppo, non è stato possibile utilizzare un giunto cardanico (un giradischi idraulico) e CGI, come la scena della corsa dei pod in Star Wars Episode I: The Phantom Menace. Il team di produzione per trovare altri modi di fare le cose. Hanno costruito un trailer collegato al "hovercraft" del film e hanno girato la scena mentre percorrevano un'autostrada a nord di Santa Clarita. Il supervisore degli effetti visivi della Serenity, Loni Peristere, ha detto in un articolo del Los Angeles Times: "Tradizionalmente questo sarebbe stato un servizio di 30 giorni. Credo che l'abbiamo fatto in cinque".
Un elemento del programma televisivo che non ha potuto essere riutilizzato è stato il set originale dell'interno della nave Serenity. Doveva essere costruito per il film, utilizzando le immagini del set di DVD di Firefly. L'azienda che ha realizzato la grafica della serie ha dovuto anche cambiare il modello computerizzato della Serenity. Il modello televisivo non era abbastanza buono per gli schermi cinematografici ad alta definizione e per i DVD HD.