Главную героиню искали среди сотен пионерок, приходивших на пробы и мечтавших о кино, а нашли среди скромных поклонниц писателя Кира Булычёва. Наталья Гусева уже однажды снималась в кино — сыграла школьницу в учебном фильме о правилах дорожного движения, и запомнилась ассистентам киностудии. На пробы в «Гостью из будущего» она шла больше ради автографа любимого писателя, чем ради роли, но получила и то, и другое. Когда режиссёр попросил девочку назвать год рождения, она от растерянности сказала, что родилась в 1872-м году…

Главную мужскую роль сыграл Алексей Фомкин. До этого он уже пытался попасть в кино — его приглашали на пробы к фильму «Чучело», но в результате роль сыграл другой мальчик. После проб фотографии Фомкина остались в картотеке, и его позвали сниматься «Ералаш», где его и увидел Павел Арсенов. Несмотря на оглушительный успех «Гостьи из будущего», кинокарьера Фомкина не сложилась — он снялся ещё в нескольких сериях «Ералаша», сыграл в паре малозаметных фильмов и ушел в армию. После возвращения молодой человек пристрастился к спиртному, переезжал с места на место и работал, где придется. В 26 лет Алексей Фомкин погиб при пожаре.

Вся интрига фильма закручивается вокруг миелофона — прибора для чтения мыслей. Художнику-постановщику пришлось поломать голову над внешним видом фантастического устройства. В результате «миелофоном» стал необработанный кварц в подарочной коробочке.

Финансирования съёмочной группе выделили не так много, чтобы реализовать все описанные в повести красоты далёкого будущего. Пришлось сокращать сценарий и выкручиваться подручными средствами. Самыми дорогими стали летающие аппараты «флипы» — пять штук сделали на заказ в Прибалтике и каждый стоил около 5 000 рублей. Помимо полноразмерных моделей были сделаны их маленькие копии с крошечными фигурками в кабинках. Миниатюры подвешивали к крутящемуся крану со стрелой и снимали на дальних планах — как будто герои летят высоко в небе. Полноразмерные флипы с актёрами внутри «летали» на грузовиках, поэтому на крупных планах в кадре видна только их верхняя часть.

Сильнее всего от недостатка финансирования пострадал «КосмоЗоо». Атмосферу населенного экзотическими инопланетными животными зоопарка пришлось создавать с помощью разнообразных звуков дикой природы, пенопластового крокодила Сени и «говорящего» козла Наполеона. Снимали «КосмоЗоо» в московском Ботаническом саду.

Одним из самых запоминающихся героев был лиричный робот Вертер, которого сыграл Евгений Герасимов. Его образ был скопирован с киборгов из итальянского фильма «Война роботов», а костюм сшит из ткани, которая использовалась для настоящих скафандров. Она почти не пропускала воздух, а у комбинезона не было ни молний, ни пуговиц и надевался он тяжело, так что Герасимова втискивали в него в начале съёмочного дня, и всю смену актёр изнывал в нём от жары.

После выхода фильма дети становились фанатами Алисы Селезнёвой, а для взрослых иконой стиля стала инопланетянка Полина. Её сыграла модель Елена Метёлкина, которая до этого уже прославилась как инопланетянка Нийя из фантастического фильма «Через тернии к звёздам». Специально для неё была придумана целая коллекция футуристических нарядов. Для Алисы же был придуман эксклюзивный красный сарафан, на создание которого костюмеров вдохновила «космическая коллекция» модельера Андре Куррежа.

Алиса Селезнёва поражала окружающих своими знаниями и способностями, невозможными для обычной девочки. Например, она могла запросто перепрыгнуть через высокий забор. В этой сцене снималась юная гимнастка Оксана Компаниец — она прыгала с подкидной доски, а с обратной стороны забора её ловили ассистенты. В фильме было несколько эпизодов с её участием — прыжок из окна, перебегание улицы перед троллейбусом и вырезанная сцена с пробегом Алисы по крышам едущих машин. После школы Компаниец закончила спортивную карьеру и стала художником-реставратором.

В фильме была сцена с сеансом одновременной игры в шахматы, в котором Алиса обыгрывала знаменитого гроссмейстера в исполнении Раднэра Муратова. Эпизод бесследно пропал после монтажа.
Знаменитую песню «Прекрасное далёко» написали поэт Юрий Энтин и композитор Евгений Крылатов. Исполнение солисток детского хора не понравилось режиссёру, и в фильме её спела певица Татьяна Дасковская, которой на тот момент было 38 лет.

Никто из снимавшихся в фильме детей не связал свою жизнь с кино. Наталья Гусева сыграла ещё в нескольких детских фильмах, потом отказалась от главной роли в драме «Авария — дочь мента», так как хотела сохранить светлый образ Алисы, и ушла из кино. Она стала микробиологом.
Марианна Ионесян — Юля Грибкова — живёт в США, занимается консалтингом и организацией концертов.
Илья Наумов — Фима Королёв — занялся строительным бизнесом.
Семён Бузган — Коля Садовский — живёт в Хайфе, работал радиоведущим, таксистом, потом открыл свой магазин.
Антон Суховерко — Коля Сулима — стал экономистом.
Наталья Шанаева — Лена Домбазова — домохозяйка и многодетная мать.
Екатерина Авербах — Мила Руткевич — какое-то время работала в аттракционе Игоря Кио, сейчас домохозяйка.
Алексей Муравьёв — Боря Мессерер — известный историк-востоковед и религиовед, преподаватель МГУ.
Юлия Русских — первоклассница, в которую превращается Крыс — пропала без вести в 2005 году, некоторые источники ошибочно приписывали эту роль солистке группы «Лицей» Лене Перовой.

Кинокритики ругали фильм «Гостья из будущего» за слабые спецэффекты, очевидную нехватку бюджета и затянутый сюжет, но это не помешало ему стать культовым. Популярность пришла сразу — уже вторую серию с нетерпением ждали зрители всех возрастов! После премьеры дети выходили во дворы с «миелофонами» из подручных средств, резко взлетела популярность книг Булычёва и имени Алиса, а про героев начали придумывать анекдоты, причем больше всего доставалось роботу Вертеру.

В начале января 2021 года появилась информация о начале работы над ремейком «Гостьи из будущего». Это уже не первая попытка сделать современную историю про Алису — ещё десять лет назад над фильмом по мотивам произведений Кира Булычёва начинал работать режиссёр Олег Рясков, а на главную роль была утверждена Дарья Мельникова. Тот проект не пошёл, а вот съёмки нового фильма под рабочим названием «Сто лет тому вперёд» уже идут и премьера запланирована на декабрь 2023 года. Режиссёром стал Александр Андрющенко, а события перенесены в наше время. Актёрский состав не разглашается, но известно, что родителей Алисы сыграют Виктория Исакова и Константин Хабенский.