Вначале Бенедикт Камбербэтч отказался от предложенной ему роли Стивена Стрэнджа из-за занятости в других проектах. Актёр дал согласие, только узнав, что дату выхода фильма на экраны передвинули с июля на ноябрь 2016 года.

Бенедикт Камбербэтч признался, что больше всего в роли Стивена Стрэнджа его привлекает её духовность. «Духовное измерение — это как раз то, что меня интересует, — заявил он. — Это ведь часть моей собственной жизни. Я много медитирую. Это очень полезное занятие, с помощью которого я могу успокоиться, отвлечься от насыщенной жизни, сосредоточиться на том, чтобы стать более добрым и внимательным к другим людям».

Как рассказывал продюсер Кевин Файги, концепция волшебства в кинематографической вселенной «Marvel» позаимствована из фильма Вачовски «Матрица» (1999) и работ Стэнли Кубрика и Хаяо Миядзаки. «Вы смотрели научно-популярный сериал «Космос» (1980)? Вот вам волшебство. Оно заключено в квантовой физике. Надо только изучить её от и до, и грань между наукой и волшебством будет стёрта... Такой подход не применяется в Гарри Поттере, но если бы в Хогвартс поехал учёный, он бы точно разобрался, как работает часть из увиденного там! Мы не будем настолько глубоко погружаться в эту тему, но и стороной её не обойдём. Это особенно важно для персонажа вроде Стрэнджа, который превращается из человека науки в человека веры и который перемещается в обоих мирах, — сказал Файги. — Но найти ответы на интересующие нас вопросы бывает возможным не всегда. Бывает так, что мы спрашиваем «Как это работает?», но ответа не находим».

Чтобы набрать форму к съёмкам, Бенедикт Камбербэтч вместе с персональным тренером активно посещал спортзал, пил протеиновые коктейли и усиленно питался.

Это первый фильм, где главным героем выступает доктор Стрэндж, однако его присутствие можно было заметить и в прежних фильмах. В фильме Кеннета Брана «Тор» (2011) среди сокровищ в сокровищнице Одина хранится Сфера Агамотто. В фильме Алана Тейлора «Тор 2: Царство тьмы» на доске доктора Селвига написано (кроме всего прочего) слово «Перекрёсток». Речь идёт о реальности в другом измерении из многочисленных комиксов серии «Доктор Стрэндж». В фильме братьев Энтони Руссо, Джо Руссо «Первый мститель: Другая война» (2014) агент Джаспер Ситуэлл называет Стивена Стрэнджа в ряду других персонажей, за которыми организация «Г.И.Д.Р.А.» установила слежку.

Создатели персонажа сценарист Стэн Ли и художник Стив Дитко привнесли в облик Стрэнджа многие черты актёра Винсента Прайса (1911-1993). Вторым именем доктора Стрэнджа тоже является «Винсент».

«Доктор Стрэндж» (2016) четырнадцатый фильм кинематографической вселенной «Marvel» производства «Marvel Studios».

На роль Старейшины авторы фильма вначале планировали пригласить Моргана Фримена, Кэна Ватанабэ или Билла Найи.

На роль доктора Стрэнджа в то или иное время рассматривались кандидатуры (подтверждения по некоторым актёрам до сих пор нет) Колин Фаррелл, Джейк Джилленхол, Том Харди, Итан Хоук, Джек Хьюстон, Оскар Айзек, Джаред Лето, Мэттью МакКонахи, Юэн МакГрегор, Киану Ривз, Джастин Теру, Джон Хэмм, Джонни Депп и Джозеф Гордон-Левитт.

Желание сыграть на экране Стивена Стрэнджа выражал актёр Патрик Демпси.

На роль барона Мордо рассматривались кандидатуры Гари Олдмена и Мадса Миккельсена.

Костюм доктора Стрэнджа аналогичен тому, что герой носит на страницах комиксов, однако он был несколько видоизменён для большего соответствия стандартам кинематографической вселенной «Marvel».

Одно время ходили слухи, что роль барона Мордо сыграет Саймон Бейкер.

Оператор Бен Дэвис признался, что на фильм оказал сильное влияние экспериментальный полнометражный мультфильм компании Disney «Фантазия» (1940). «Он очень психоделичен, и действие по большей части разворачивается в других измерениях».

Царство Старейшины расположено в снегах северной части Гималайских гор.

Второй фильм производства «Marvel Studios», в котором одновременно снимаются актёры из двух разных экранизаций историй о Шерлоке Холмсе. Бенедикт Камбербэтч сыграл знаменитого сыщика в телесериале «Шерлок» (2010), а Рэйчел МакАдамс снялась в роли Ирэн Адлер в фильме Гая Ричи 2009 года «Шерлок Холмс». В главной роли в этом фильме снялся Роберт Дауни мл., который играл Железного человека в фильмах «Marvel Studios». Последним таким фильмом на настоящий момент является «Первый мститель: Противостояние» (2016) братьев Энтони и Джо Руссо, в котором снялся Мартин Фримен. В телесериале «Шерлок» (2010) Фримен играл доктора Ватсона, напарника главного героя.

Чиветел Эджиофор стал вторым темнокожим актёром в роли барона Мордо. Первым был Кевин Майкл Ричардсон, озвучивший этого персонажа в полнометражном мультфильме «Доктор Стрэндж и Тайна Ордена магов» (2007).

21 сентября 2012 года американский писатель Джордж Р. Р. Мартин, автор цикла романов в жанре фэнтези «Песнь Льда и Огня» выразил желание написать сценарий к фильму. Студия дала отказ, ввиду того, что Мартин собирался отгородить Стрэнджа от персонажей других фильмов кинематографической вселенной, а также требовал заключение контракта, согласно которому сценарий, написанный им, не может быть изменён, а франшизу никогда не будут перезапускать.

Основные съёмки начались в Непале 4 ноября 2015 года под рабочим названием «Шах и мат» в окрестностях Долины Катманду. Съёмочная группа посетила храмы в Пашупатинатхе и в Сваямбунатхе. Впоследствии съёмки проходили на территории Тамеля, Новой Дороге в Катманду и на площади Дурбар в Патане. В ноябре 2015 года съёмочная группа переместилась в Longcross Studios в Великобритании и оставалась там вплоть до марта 2016 года. Часть сцен снималась в нью-йоркской Адской кухне, в то время как некоторые дополнительные сцены были отсняты в Pinewood-Shepperton и Shepperton Studios в Великобритании в декабре 2015 года, а затем перенеслись в Лондон и Гонконг. С апреля 2016 года съёмки проходили недалеко от Флэтайрон-билдинг в Нью-Йорке. Основные съёмки завершились 3 апреля 2016 года.

Стивен Стрэндж прошёл обучение в монастыре в Азии, прежде чем стать Величайшим волшебником Земли. Сам Бенедикт Камбербэтч провёл год между школой и университетом, на добровольной основе работая преподавателем английского языка в буддистском монастыре в Дарджилинге, в Индии. Актёр рассказал, что проведённое в Индии время оказало огромное влияние на всю его жизнь и что в подготовке к роли Стрэнджа он опирался именно на этот опыт.

В комиксах Старейшина изображён стариком. В фильме эту роль исполняет женщина. Таковым было решение режиссёра Скотта Дерриксона, который посчитал, что «Старейшина» — это прежде всего титул, и что пол его носящего значения не имеет.

Бенедикт Камбербэтч также сыграл роль Дормамму — он сам предложил режиссёру такую идею. Тому же показалось это интересным, так как Дормамму – полная противоположность Стрэнджа на момент их встречи: он совершенный эгоист, а Стрэндж уже готов к самопожертвованию. Таким образом в этой сцене Стрэндж приходит договориться с самим собой.