Первоначально предполагалось, что этот фильм станет режиссёрским дебютом известных кинодраматургов Скотта Александера и Ларри Каразивски («Народ против Ларри Флинта», «Человек на Луне»), которые собирались поставить картину по собственному сценарию. К съёмкам планировалось приступить в июне 2008 года, а главные роли предназначались Кейт Хадсон («Золото дураков») и Томасу Хэйдену Черчу («На обочине», «Человек-паук: враг в отражении»). Бюджет ленты должен был составить $18 млн. Однако что-то не сложилось, и только в начале 2012 года появилась информация, что актёрский дуэт в этом фильме образуют Риз Уизерспун («Воды слонам!») и Райан Рейнольдс («Зелёный фонарь»), а одним из продюсеров выступит Тим Бертон («Алиса в Стране чудес», «Мрачные тени»), прежде снявший по сценарию Александера и Каразивски биографическую драму «Эд Вуд» (1994). И только в апреле 2013-го пришло сообщение, что за постановку возьмётся сам Бертон, а актёрский тандем составят Эми Адамс («Мастер», «Боец») и обладатель двух «Оскаров» Кристоф Вальц («Джанго освобождённый», «Бесславные ублюдки»).

Бертон планировал снимать фильм на 35-мм плёнку, чтобы придать картине шарм полувековой давности, но ограничения бюджета и закрывшаяся в 2012 году Ванкуверская лаборатория по проявке плёнки не позволили планам осуществиться.

«Большие глаза» стали для Тима Бертона первым с 1996 года игровым полнометражным фильмом, в котором не снялись Джонни Депп или Хелена Бонэм Картер.

Съёмки фильма проходили с июля 2013 года в Сан-Франциско, Ванкувере, Бристоле (Англия) и на Гавайях.