Film ini didasarkan pada Firefly, serial televisi yang dibatalkan oleh Fox pada bulan Desember 2002. Fox menghentikan acara ini setelah 11 dari 14 episodenya ditayangkan. Setelah mencoba mendapatkan jaringan lain untuk menayangkan serial ini, pencipta Joss Whedon mencoba menjualnya sebagai film. Dia diperkenalkan kepada Mary Parent dari Universal Pictures, yang setuju untuk membuat film setelah menonton episode-episodenya di DVD.
Setelah Universal Studios mendapatkan hak film Firefly dari Fox, Whedon mulai menulis skenarionya. Universal ingin mulai membuat film ini pada bulan Oktober 2003, tetapi masalah dengan naskahnya membuat mereka harus menunggu hingga bulan Juni 2004 untuk memulai syuting film. Universal tidak ingin menghabiskan jumlah uang yang normal untuk cerita yang berlatar belakang luar angkasa ($100 juta). Whedon mengatakan kepada mereka bahwa dia bisa melakukannya dengan harga yang lebih murah. Dia juga mengatakan kepada mereka bahwa dia bisa melakukannya dalam 50 hari, bukan 80 hari seperti biasanya. Pada tanggal 3 Maret 2004, film ini mendapat lampu hijau untuk mulai dibuat. Film ini terbukti hanya memiliki anggaran $40 juta.
Mereka mulai syuting film pada tanggal 3 Juni 2004. Joss Whedon mengatakan bahwa film ini akan berjudul Serenity agar tetap terpisah dari serial TV-nya. Kesembilan aktor utama dari serial televisinya (Adam Baldwin, Alan Tudyk, Gina Torres, Jewel Staite, Morena Baccarin, Nathan Fillion, Ron Glass, Sean Maher, dan Summer Glau) kembali untuk film tersebut. Pada tanggal 17 September 2004, Joss Whedon mengatakan di situs resmi film bahwa pengambilan gambar telah selesai.
Whedon harus mengambil serial televisi yang belum banyak orang lihat dan menjelaskan ide filmnya. Dia harus melakukan hal ini tanpa membuat penonton atau penggemar serial televisinya bosan. Dia melakukan ini dengan melakukan[] hal di awal film. Pada awalnya, itu hanya suara yang menceritakan apa yang telah terjadi. Kemudian diperlihatkan sebagai ruang sekolah di mana suara itu adalah suara guru. Mereka selanjutnya menunjukkan bahwa ini semua hanyalah kenangan dalam pikiran salah satu karakter.
Karena anggarannya tidak terlalu besar, efek khusus fisik digunakan sebanyak mungkin. Mereka membuat set dan alat peraga sebisa mungkin untuk mengurangi penggunaan efek CGI. Adegan yang paling menantang secara teknis adalah kejar-kejaran dengan bagal. Karena biayanya terlalu mahal, gimbal (meja putar hidrolik) dan CGI, seperti adegan balapan pod di Star Wars Episode I: The Phantom Menace tidak dapat digunakan. Tim produksi mencari cara lain untuk melakukan sesuatu. Mereka membangun sebuah trailer yang terhubung ke "hover craft" dalam film dan merekam adegan tersebut saat berkendara di jalan raya di utara Santa Clarita. Supervisor efek visual Serenity, Loni Peristere, mengatakan dalam sebuah artikel Los Angeles Times: "Secara tradisional ini akan menjadi, seperti, pengambilan gambar selama 30 hari. Saya pikir kami melakukannya dalam lima hari."
Satu item dari acara televisi yang tidak dapat digunakan lagi adalah set asli bagian dalam kapal Serenity. Itu harus dibuat untuk film, menggunakan gambar dari set DVD Firefly. Perusahaan yang membuat grafis untuk serial ini juga harus mengubah model komputer Serenity. Model televisi tidak cukup bagus untuk layar bioskop definisi tinggi dan HD DVD.