Ghidorah – Trójgłowy potwór został wykonany w pośpiechu jako film noworoczny, ponieważ zdjęcia do Rudobrodego, którego premiera miała się odbyć w grudniu 1964 roku, zostały przedłużone. Noworoczny program był po raz pierwszy w serii. Na tym tle rok 1964 był pierwszym, w którym wyprodukowano dwa filmy z udziałem Godzilli, co zdarzyło dopiero 54 lata później, przy produkcji animowanych Godzilla: Miasto na krawędzi bitwy i Godzilla: The Planet Eater.
Reżyser filmu, Ishirō Honda niechętnie podchodził do pomysłu reżysera efektów specjalnych Eijiego Tsuburayi co do antropomorfizacji potworów, szczególnie do sceny pertraktacji Mothry z Godzillą i Rodanem. Podobne zdanie wyraził Teruyoshi Nakano. W wywiadzie z Stuartem Galbraithem IV zwracał uwagę, że seria przez kierunek łagodniejszy i komediowy stała dochodowa, ale jednocześnie zaprzeczała wszystkiemu, czemu reprezentował pierwotnie Godzill, czyli następstwa bomby atomowej.
Casting Jako że film inspirował się popularnymi w kinie japońskimi filmami gangsterskimi, w rolach głównych obsadzono aktorów związanych z filmami akcji – Yōsuke Natsuki jako detektywa Shindō i Akiko Wakabayashi jako selgińską księżniczkę. Początkowo Shindō miał grać Akihiko Hirata, który ostatecznie zagrał jego przełożonego w małej roli.