Для Романа Качанова, как для режиссёра, «Тайна третьей планеты» стал четвёртым мультфильмом, выполненным в технике традиционной рисованной мультипликации. В качестве художника-постановщика и аниматора он работал более чем на 30 рисованных фильмах. Однако наиболее известными режиссёрскими работами Качанова до этого были мультфильмы, снятые в кукольной (объёмной) анимации («Варежка», «Крокодил Гена», «Чебурашка», «Шапокляк» и другие).
Дизайн персонажей был сделан Натальей Орловой. Её дочь, актриса Екатерина Семёнова, рассказывала, что Алиса в мультфильме была нарисована её матерью с неё, а прототипом капитану Зелёному послужил её отец, режиссёр Тенгиз Семёнов.
Музыку для фильма написал Александр Зацепин.
Производство картины продолжалось 4 года.