Le projet trouve son origine lors du tournage de Paroles de bandits, le précédent documentaire de Jean Boiron Lajous. Christine Dancausse était alors son ingénieure du son, et leurs longs trajets en voiture pour se rendre sur les plateaux sont devenus un espace d'échange privilégié. Découvrant le passé familial complexe et la relation toxique que Christine entretenait avec sa mère, le réalisateur a d'abord proposé le film sous forme de boutade :
"Et si on faisait un road movie où on allait avec une batte de baseball en direction de chez ta mère. Et le film s'arrêterait quand tu frapperais à la porte ?". C'est ce ton provocateur et libérateur qui a convaincu Christine d'accepter l'aventure.
À l'origine, Jean Boiron Lajous a commencé par filmer Christine au quotidien pendant plus de deux ans. Cependant, refusant d'être réduite à sa relation conflictuelle avec sa mère, Christine a mis le projet en pause pour recadrer les attentes. Afin de rééquilibrer le récit, le cinéaste a choisi de mettre en lumière un deuil personnel : le suicide de son propre père. Le long-métrage s'est alors transformé en une véritable odyssée à deux voix, articulée autour de la quête d'une lettre d'adieu laissée par le père de Christine et de l'acceptation de leurs traumatismes respectifs.
Pour mettre en scène ce cheminement intime à travers le sud de la France, le réalisateur a fait le choix du road movie pour capturer une réelle aventure amicale. Jean Boiron Lajous s'est appuyé sur des références cinématographiques majeures pour composer son atmosphère. Il cite notamment le vent de liberté du mythique Thelma et Louise de Ridley Scott, ainsi que la trajectoire introspective et mélancolique du Old Joy de Kelly Reichardt, tout en puisant dans l'univers d'artistes de la pellicule Super 8 comme Marie Losier pour concevoir les séquences d'évasions oniriques.
Pour monter le film, le cinéaste a fait appel à Xavier Sirven, monteur chevronné notamment remarqué pour son travail sur L'Histoire de Souleyman. La phase de post-production est devenue un terrain d'expérimentation extrêmement fluide où les idées étaient testées sans filtre. Le réalisateur enregistrait à la volée sur son téléphone portable parfois jusqu'à 30 bribes de voix off par jour. Ce va-et-vient spontané entre la voix off enregistrée sur le vif, les visuels et le son a permis d'insuffler au montage toute la dynamique créative et le ton tragi-comique qui caractérisaient sa relation avec Christine.
La musique originale de Gouffres et Merveilles a été confiée à Antoine Pesle, qui s'est imprégné très tôt du projet directement en salle de montage. Jean Boiron Lajous souhaitait une composition capable d'assumer sans détour un aspect mélodramatique tout en restant très vivante. Le compositeur a ainsi élaboré une bande-son pop teintée de mélancolie, guidée par des inspirations assumées allant de figures emblématiques des années 80 telles que George Michael, Eurythmics ou encore la chanteuse Lio.