À l'origine, La Fille dans les nuages s'inspire librement du roman de Romain Puértolas La Petite fille qui avait avalé un nuage grand comme la tour Eiffel. Plutôt que d'en proposer une transposition fidèle, le producteur Luc Bossi et le réalisateur Philippe Riche ont imaginé une histoire originale différente, centrée sur Providence et son cochon d'Inde Airbag. Avec ce film, Bossi explique qu'ils ont voulu mettre au point "un récit d’aventures [...] spectaculaires, jubilatoires, porteur de surprises et de créativité".
Louane prête sa voix à Providence tandis que Jamel Debbouze incarne Airbag, un cochon d'Inde râleur mais attachant. Grégoire Ludig complète le trio principal dans le rôle de Tonton Jason. Pour Jamel Debbouze, il s'agit d'ailleurs d'un étonnant retour aux sources : après Docteur Dolittle, il double pour la deuxième fois de sa carrière... un cochon d'Inde.
La production a mobilisé plusieurs studios français et belges spécialisés dans l'animation. Stim Studio a notamment supervisé les assets, le lighting, le compositing et une partie de l'animation, tandis que Supamonks a pris en charge le layout et un autre tiers des séquences animées. Au total, plus d'une centaine d'artistes ont participé à cette aventure collective.
La bande originale a été composée pendant près de deux ans par Ève-Marie Bodet et Benjamin Farley, en étroite collaboration avec Philippe Riche. C’est le premier long métrage d’animation du duo. Leur première création fut la chanson de Providence, interprétée par Louane, qui a servi de point de départ à toute la partition orchestrale. Bodet, violoniste jazz, interprète également les parties de violon solo.
Les thèmes principaux du film sont l’engagement, la valeur de l’action et les conséquences de ses actes. Pour Philippe Riche, il faut offrir aux enfants la possibilité de rêver et de pouvoir changer le monde. Nous vivons dans un monde anxiogène, où l'avenir s'annonce difficile. Même s'il faut rester lucide, il est important pour le réalisateur de "s’interroger sur la prise qu’on a sur le monde, tenter de faire naître une dynamique, un élan."