Die Ursprünge eines geplanten Realfilms über Barbie reichen bis in den September 2009 zurück, als Mattel eine Kooperation mit Universal Pictures ankündigte, die jedoch nicht zustande kam. Im April 2014 ging Mattel eine Kooperation mit Sony Pictures ein, mit Jenny Bricks als Drehbuchautorin und Laurie Macdonald sowie Walter F. Parkes als Produzenten. Der geplante Drehstart Ende des Jahres verzögerte sich.

Im März 2015 kam Diablo Cody als Drehbuchautorin hinzu, um das Skript zu überarbeiten, und Amy Pascal wurde weitere Produzentin. Sony Pictures war weiterhin nicht überzeugt und engagierte weitere Drehbuchautoren wie Lindsey Beer, Bert V. Royal und Hillary Winston.

Ab Dezember 2016 verhandelte Amy Schumer über die Titelrolle, basierend auf einem überarbeiteten Drehbuch von Hillary Winston und Kim Caramele. Im März 2017 schied Schumer aufgrund eines Drehkonfliktes aus, gab aber später kreative Differenzen als Grund an.

Ab Juli 2017 war Anne Hathaway für die Titelrolle im Gespräch, Olivia Milch sollte das Drehbuch umschreiben, und Alethea Jones sollte Regie führen. Die geplante Handlung sah vor, dass Barbie das perfekte Universum verlässt und auf einer Reise erkennt, dass Perfektion von innen kommt. Im März 2018 wurde Jones als Regisseurin bestätigt. Im Oktober 2018 verlor Sony die Filmrechte, die an Warner Bros. Pictures gingen. Damit endete die Beteiligung von Hathaway, Jones, Macdonald, Parkes und Pascal.

Ab Oktober 2018 wurde bekannt, dass Margot Robbie für die Titelrolle und Patty Jenkins für die Regie bei Warner gehandelt wurden. Im Juli 2019 wurde die Verpflichtung von Robbie sowie von Greta Gerwig und Noah Baumbach als neue Drehbuchautoren offiziell bestätigt. Im Juli 2021 wurde Gerwig offiziell auch als Regisseurin vorgestellt, mit einem Drehstart im Jahr 2022. Robbie erklärte, das Ziel sei es, die Erwartungen zu untergraben.

Ryan Gosling befand sich ab Oktober 2021 in Verhandlungen für die Rolle des Ken. Seine Mitwirkung und die des restlichen Ensembles wurden im ersten Halbjahr 2022 bestätigt. Warner gab ein Budget von 128–145 Millionen US-Dollar für die Produktion frei. Die Dreharbeiten begannen im März 2022 in den Warner Studios Leavesden in England. Rodrigo Prieto wurde als Kameramann und Jacqueline Durran als Kostümbildnerin verpflichtet.

Ein erstes Szenenfoto mit Robbie als Barbie wurde im April 2022 gezeigt, und ein Foto von Gosling als Ken erregte große Aufmerksamkeit in den sozialen Medien im Juni 2022. Dreharbeiten mit Robbie und Gosling auf Inlineskates in Venice Beach im Juni 2022 erinnerten an die "Hot Skatin' Barbie" von 1994.

Der Film wurde von Robbies Firma LuckyChap Entertainment produziert, mit Mattel Films und HeyDay Films als Koproduzenten. Ursprünglich sollte Alexandre Desplat die Filmmusik komponieren, wurde aber durch Mark Ronson und Andrew Wyatt ersetzt. Greta Gerwig nannte zehn Filme als Haupteinflüsse, darunter "Der Zauberer von Oz", "2001: Odyssee im Weltraum" und Jacques Demys Musicals.