原作の『マリアビートル』（2010年）が刊行された数年後に、日本のエージェント会社CTBの三枝亮介と寺田悠馬がソニー・ピクチャーズに直接、映像化の企画を提案した。[9][10]

アントワーン・フークアが、自身のフークア・フィルムズでこのプロジェクトを立ち上げた[11]。

ソニー・ピクチャーズが伊坂幸太郎の小説の映画化作品を監督させるためにデヴィッド・リーチを雇ったことが2020年6月に発表された[12]。翌月、ブラッド・ピットが映画の主演に選ばれた[13]。

ジョーイ・キングは、カメオレベルでの役として、本作に参加するための交渉に入った[14]。9月にはアンドリュー・小路が[15]、10月にはアーロン・テイラー＝ジョンソンとブライアン・タイリー・ヘンリーが撮影に参加した[16][17] 。2020年11月には、ザジー・ビーツ、マシ・オカ、マイケル・シャノン、ローガン・ラーマン、真田広之が出演した[18][19][20][21][22]。12月、リーチ監督は福原かれんがキャストに加わったこと、そしてジョナサン・セラ（英語版）が撮影監督を務めていたことを明らかにした[23]。その後、ベニート・A・マルティネス・オカシオもキャストに追加された[24]。

なお、当初はレディー・ガガや小出恵介もキャスティングの候補として挙がっていたが、前者は本作品の製作と同時期に行われていた『ハウス・オブ・グッチ』の撮影スケジュールとの兼ね合いで、後者は撮影の直前で、それぞれ出演がキャンセルになったことが後日判明した[25][26]。

『ブレット・トレイン』の製作は新型コロナウイルスによる渡航制限などの影響もあり、日本国内でのロケーション撮影は行われず、アメリカ国内に特設スタジオを組んだ上で行われた[27]。