O filme é baseado no Firefly, uma série de televisão que foi cancelada pela Fox em dezembro de 2002. A Fox parou o programa depois de 11 de seus 14 episódios terem sido exibidos. Depois de tentar conseguir outra rede para mostrar a série, a criadora Joss Whedon tentou vendê-la como um filme. Ele foi apresentado a Mary Parent da Universal Pictures, que concordou em fazer o filme depois de assistir aos episódios em DVD.
Depois que a Universal Studios conseguiu os direitos do filme Firefly da Fox, Whedon começou a escrever o roteiro. A Universal queria começar a fazer o filme em outubro de 2003, mas problemas com o roteiro fizeram com que eles tivessem que esperar até junho de 2004 para começar a filmar o filme. A Universal não queria gastar a quantia normal de dinheiro para uma história ambientada no espaço (US$ 100 milhões). Whedon lhes disse que poderia fazer isso por menos. Ele também lhes disse que poderia fazê-lo em 50 dias, ao invés dos habituais 80 dias. Em 3 de março de 2004, o filme foi iluminado de verde para começar a ser feito. Foi mostrado que tinha um orçamento de apenas 40 milhões de dólares.
Eles começaram a filmar o filme em 3 de junho de 2004. Joss Whedon disse que o filme seria chamado de Serenity para mantê-lo separado da série de TV. Todos os nove atores principais da série de televisão (Adam Baldwin, Alan Tudyk, Gina Torres, Jewel Staite, Morena Baccarin, Nathan Fillion, Ron Glass, Sean Maher e Summer Glau) voltaram para o filme. Em 17 de setembro de 2004, Joss Whedon disse no site oficial do filme que as filmagens foram feitas.
Whedon teve que pegar uma série de televisão que poucas pessoas tinham visto e explicar a idéia do filme. Ele teve que fazer isso sem entediar o público ou os fãs da série de televisão. Ele fez isso fazendo[] coisas no início do filme. No início, ele é apenas uma voz que conta o que aconteceu. Em seguida, é mostrado como uma sala de aula onde a voz era a do professor. Em seguida, eles mostraram que tudo isso eram apenas lembranças na mente de um dos personagens.
Como o orçamento não era muito grande, os efeitos físicos especiais foram utilizados na medida do possível. Eles fizeram o máximo possível para usar menos efeitos de CGI. A cena tecnicamente mais desafiadora foi a caça ao esquife de mulas. Porque custaria muito caro, uma gimbal (uma mesa giratória hidráulica) e CGI, como a cena da corrida de cápsulas em Star Wars Episode I: The Phantom Menace não poderia ser usada. A equipe de produção para encontrar outras formas de fazer as coisas. Eles construíram um trailer conectado ao "hover craft" do filme e filmaram a cena enquanto subiam uma rodovia ao norte de Santa Clarita. A supervisora de efeitos visuais de serenidade Loni Peristere disse em um artigo do Los Angeles Times: "Tradicionalmente, esta teria sido, tipo, uma filmagem de 30 dias. Acho que o fizemos em cinco".
Um item do programa de televisão que não pôde ser usado novamente foi o conjunto original do interior do navio Serenity. Ele teve que ser construído para o filme, usando imagens do conjunto de DVDs Firefly. A empresa que fez os gráficos para a série também teve que mudar o modelo de computador do Serenity. O modelo de televisão não era bom o suficiente para telas de cinema de alta definição e DVD HD.
