Ce sont les producteurs Philippe Rousselet et Jonathan Blumental qui ont, en premier lieu, commencé à développer ce projet. Bruno Merle a écrit le scénario original, puis a été rejoint par Noé Debré et Michel Hazanavicius, avec pour idée centrale de faire un grand film familial mélangeant l'intime et l'épique. Le réalisateur explique : "En lisant le scénario, j’ai été très touché par cette histoire, et par le projet en général, son ampleur, son ambition, j’ai adoré l’idée de faire ce film. C’était un projet assez éloigné de ce que j’avais pu faire jusque-là mais à la lecture, j’y ai retrouvé des thèmes qui me touchaient et la possibilité de réaliser un film que mes enfants pourraient voir. J’ai aimé le fait qu’on puisse insuffler à cette histoire du fantastique, de l’imaginaire, dans le récit simple d’un père qui doit accepter de voir grandir sa fille. Bref, c’était une aventure très excitante qui a en fait démarré juste après le tournage du Redoutable..."
Plusieurs thèmes présents dans Le Prince Oublié se retrouvent dans la filmographie de Michel Hazanavicius, comme l'envers du décor de l'industrie du divertissement (très présent dans The Artist et Le Redoutable) mais aussi la romance pétillante. Le cinéaste confie toutefois : "Je ne fais pas vraiment exprès d’aborder les thématiques dont vous parlez. En vrai, je n’ai jamais souhaité délivrer un message particulier et si le film est réussi, c’est déjà bien. Mais au bout d’un moment, des choses finissent par transparaître, et des thèmes persistent, mais sans aucune direction de ma part. Je ne travaille pas du tout là-dessus, je crois que ce sont des thèmes vers lesquels je vais par pur instinct."
Le Prince Oublié a été tourné aux studios de Bry-sur-Marne près de Paris. Pendant la phase d'écriture, Michel Hazanavicius avait une image en tête : celle d’un employé qui abaisse une manette pour faire passer ce monde imaginaire du jour à la nuit... Le metteur en scène se rappelle :
"C’était donc étrangement plus simple de tourner tout cela en intérieur, de recréer une rue entière et ensuite digitalement de créer un ciel ou d’étendre l’horizon… Pour faire tout cela, j’ai collaboré avec le chef déco Laurent Ott bien sûr, mais aussi le responsable des effets spéciaux Philippe Aubry (Falap) et un concepteur graphique qui s’appelle Jérôme Billet (Lardux). On a mis en place petit à petit ce monde en lui donnant une cohérence géographique et architecturale, même si l’idée générale était que ça ressemble à une boîte de feutres, très colorée et joyeusement enfantin. L’idée est d’avoir un univers suffisamment réaliste pour qu’on accepte d’y voir évoluer des acteurs, mais suffisamment onirique pour accueillir cette histoire d’imaginaire."
Les sociétés Digital District et Mikros ont travaillé sur les effets spéciaux. Michel Hazanavicius leur a demandé ce qu'il était possible de fabriquer : "Et on a fait avec ce qui était possible. Ce qui a permis aux équipes d’être plus créatifs, d’une certaine manière. Et d’ailleurs, ils en ont fait plus que ce qu’on a inséré au fi nal. Il y avait par exemple un sumo en forme de boule qui roulait sur lui-même ! C’est un petit génie de la bidouille qui a créé tout cela et ça n’a pas coûté une fortune…", se rappelle le réalisateur.
Keyla Fala et Sarah Gaye, jouant respectivement le personnage de Sofia à 8 et 12 ans, n'étaient pas comédiennes avant de tourner dans Le Prince Oublié. Michel Hazanavicius se souvient à leur sujet : "Keyla est comme tous les gosses de 8 ans : elle n’avait aucune conscience de son image et s’en foutait complètement ! J’ai connu ça avec mes gamins que je pouvais prendre en photo ou filmer comme je voulais, jusqu’au moment où ils ont pris conscience de leur image, où la pudeur (et c’est normal) intervient dans l’histoire comme une sorte de carapace. Là ça devient plus compliqué… Keyla est une enfant brillante et naturelle que Stéphane Touitou a repérée à la sortie d’une école. Elle était marrante comme tout, absolument pas impressionnée et elle a pris ça comme tous les acteurs devraient le faire : un jeu… Sarah elle était un peu plus timide, moins expansive mais ça correspondait à son personnage."
Avec Le Prince oublié, Bérénice Bejo tourne une fois de plus sous la direction de son mari Michel Hazanavicius après OSS 117: Le Caire, nid d'espions, OSS 117: Rio ne répond plus, The Artist, The Search et Le Redoutable. Par ailleurs, François Damiens retrouve Omar Sy après Seul Two et Bejo après OSS 117: Le Caire, nid d'espions.
La bande-originale du film a été composée par un grand nom qui a travaillé sur de nombreux films cultes : Howard Shore. Michel Hazanavicius voulait que la musique du Prince oublié soit proche des Pixar, dans la mesure où le long métrage s'adresse aux enfants mais aussi à leurs parents. Le réalisateur confie : "Jusqu’ici, Howard est plutôt connu pour des partitions dramatiques ou tendues mais il a déjà composé des choses plus légères et j’aime sa démarche qui est toujours de s’intéresser au premier degré du personnage en parvenant à produire une émotion grâce à ses mélodies… Je tenais beaucoup à avoir des thèmes qui prennent le temps de se développer, alors que la tendance aux États-Unis est d’aller vers le « sound design », c’est-à-dire des couleurs sonores, des rythmiques. Je pensais qu’il serait totalement inabordable car trop occupé mais le scénario l’a beaucoup touché et il aimait bien ce que j’avais fait en tant que réalisateur."