Die US-Amerikaner Lana und Andy Wachowski und der Deutsche Tom Tykwer schrieben gemeinsam das Drehbuch und führten Regie. Cloud Atlas galt zum Zeitpunkt seines Entstehens als einer der teuersten bis dahin produzierten Independentfilme und als der bei weitem teuerste deutsche Film.
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Die Dreharbeiten fanden vom September bis Dezember 2011 im Studio Babelsberg statt. Vorherige Außenaufnahmen wurden auf Mallorca, in Schottland, in der Sächsischen Schweiz und dem Luftfahrtmuseum Finowfurt durchgeführt. Stefan Arndt produzierte das Projekt, wobei die Produktionsfirma Cloud Atlas Production GmbH in Koproduktion mit X-Filme Creative Pool GmbH für die Umsetzung in Deutschland verantwortlich ist. Auch der größte Teil der VFX Postproduction wurde in Deutschland ausgeführt. Unter anderem von ARRI VFX, Black Mountain VFX Studios, exozet effects, Lola VFX, RISE FX, Scanline und Trixter.
Die Produktionskosten betrugen etwa 100 Millionen Dollar, wobei der Film von dem Deutschen Filmförderfonds, dem Medienboard Berlin-Brandenburg und der Film- und Medienstiftung NRW in Millionenhöhe gefördert wurde. Die Produktion gilt als der zum
Zeitpunkt seines Entstehens bei weitem teuerste deutsche Film (bis dahin Das Parfum – Die Geschichte eines Mörders).