De film is gebaseerd op Firefly, een televisieserie die in december 2002 door Fox werd geannuleerd. Fox stopte de show nadat 11 van de 14 afleveringen waren vertoond. Na een poging om een ander netwerk te krijgen om de serie te laten zien, probeerde de maker Joss Whedon het te verkopen als een film. Hij werd voorgesteld aan Mary Parent met Universal Pictures, die akkoord ging om de film te maken na het bekijken van de afleveringen op DVD.
Nadat Universal Studios de filmrechten voor Firefly van Fox had gekregen, begon Whedon met het schrijven van het scenario. Universal wilde in oktober 2003 beginnen met het maken van de film, maar door problemen met het script moesten ze wachten tot juni 2004 om de film te kunnen opnemen. Universal wilde niet het normale bedrag uitgeven voor een verhaal dat zich afspeelt in de ruimte (100 miljoen dollar). Whedon vertelde hen dat hij het voor minder kon doen. Hij zei ook dat hij het in 50 dagen kon doen, in plaats van de gebruikelijke 80 dagen. Op 3 maart 2004 werd de film groen licht gegeven om te beginnen met het maken van de film. Het bleek een budget te hebben van slechts 40 miljoen dollar.
Ze begonnen de film te filmen op 3 juni 2004. Joss Whedon zei dat de film Serenity zou worden genoemd om het gescheiden te houden van de tv-serie. Alle negen hoofdrolspelers uit de televisieserie (Adam Baldwin, Alan Tudyk, Gina Torres, Jewel Staite, Morena Baccarin, Nathan Fillion, Ron Glass, Sean Maher, en Summer Glau) kwamen terug voor de film. Op 17 september 2004, Joss Whedon zei op de officiële site van de film dat het schieten was gedaan.
Whedon moest een televisieserie nemen die niet veel mensen hadden gezien en het idee van de film uitleggen. Hij moest dit doen zonder het publiek of de fans van de televisieserie te vervelen. Hij deed dit door[] dingen te doen in het begin van de film. In het begin is het gewoon een stem die vertelt wat er is gebeurd. Het is dan een schoollokaal waar de stem van de leraar was. Vervolgens laten ze zien dat dit allemaal gewoon herinneringen zijn aan een van de personages.
Omdat het budget niet erg groot was, werd er zoveel mogelijk gebruik gemaakt van fysieke speciale effecten. Ze maakten zo veel mogelijk sets en rekwisieten om minder CGI-effecten te gebruiken. De technisch meest uitdagende scène was de muilezelskift-achtervolging. Omdat het te veel zou kosten, konden een gimbal (een hydraulische draaischijf) en CGI, zoals de pod race scene in Star Wars Episode I: The Phantom Menace niet gebruikt worden. Het productie team om andere manieren te vinden om dingen te doen. Ze bouwden een trailer die verbonden was met de "hover craft" in de film en schoten de scène op terwijl ze op een snelweg ten noorden van Santa Clarita reden. Sereniteit visuele effecten supervisor Loni Peristere zei in een Los Angeles Times artikel: "Traditioneel zou dit een 30-dagen opname zijn geweest. Ik denk dat we het in vijf dagen hebben gedaan."
Een item uit de televisieshow dat niet meer gebruikt kon worden was de originele set van de binnenkant van het schip Serenity. Het moest worden gebouwd voor de film, met behulp van beelden van de Firefly DVD set. Het bedrijf dat de graphics voor de serie deed, moest ook het computermodel van Serenity aanpassen. Het televisiemodel was niet goed genoeg voor high-definition bioscoopschermen en HD DVD.