Tokyo (Giappone): per le riprese iniziali a Tokyo si è utilizzato un vero eliporto sulla cima di un grattacielo. Dopo il dialogo dei personaggi, viene effettuata una ripresa panoramica sulla città dall'elicottero del magnate asiatico. Il produttore esecutivo Chris Brigham racconta che nonostante sembri una sequenza facile, le difficoltà non sono mancate. La capitale giapponese, infatti, ha dei limiti molto seri per quanto riguarda le quote che gli elicotteri possono raggiungere in volo. La scena è stata infine girata grazie anche alla collaborazione delle autorità locali.

Cardington (Inghilterra): Nolan ha girato alcune scene in un hangar già utilizzato per Batman Begins e Il cavaliere oscuro. In questo edificio sono stati creati set e ambienti in grado di inclinarsi e di girare di 360° per dare agli attori la possibilità di cimentarsi con l'azione in assenza di gravità, senza ricorrere alla computer-generated imagery.
La sfida più ambiziosa è stata realizzare il lungo corridoio d'albergo. Lo scenografo Guy Hendrix Dyas ha ideato la struttura con l'aiuto del direttore degli effetti speciali Chris Corbould e del direttore della fotografia Wally Pfister. Per la realizzazione di questa scena si era pensato inizialmente di costruire un corridoio lungo circa 12 metri, ma le dimensioni sono state successivamente ampliate fino a 30 metri. La costruzione è stata appesa a otto grandi cerchi concentrici, equidistanti tra di loro. Due enormi motori elettrici alimentavano il movimento, dando agli attori la sensazione dell'assenza di peso. Corbould dichiarò di aver già contribuito alla costruzione di strutture girevoli, ma che nessuna era stata considerata per un movimento così veloce ed esteso. Il set, una volta messo in moto, veniva fatto ruotare di 360° fino a raggiungere gli otto giri completi al minuto. Le telecamere sono state piazzate su un binario sotto il pavimento della struttura. Per evitare che gli attori e gli stuntman subissero danni fisici, dati i loro improvvisi e rapidi movimenti all'interno del set, Dyas optò per materiali morbidi come rivestimenti per le pareti e i pavimenti del corridoio e della camera d'albergo; l'attore Joseph Gordon-Levitt è il membro del cast che più si è dovuto preparare per queste particolari riprese. Insieme con il coordinatore degli stuntman Tom Struthers ha passato diverse settimane ad allenarsi. Riguardo alla prestazione di Gordon-Levitt dichiara: «Normalmente, avremmo usato una controfigura per questo tipo di azione. Joe è stato forte e molto disponibile. Gli abbiamo insegnato a utilizzare la parte superiore del corpo e i suoi muscoli centrali. Ha lavorato molto e i risultati sono stati straordinari».Le riprese in cui Arianna incontra Cobb sono state girate nella Galleria Flaxman all'University College di Londra (Regno Unito).

Parigi (Francia): il dialogo tra Cobb e Arianna avviene all'esterno di un piccolo bistrot parigino che in origine era una panetteria. Per la scena in cui avviene l'esplosione degli oggetti attorno agli attori sono state create vere deflagrazioni che hanno richiesto l'utilizzo di cariche a base di azoto a pressione, avvenute in assoluta sicurezza per non ferire gli attori e la troupe presenti sul set. La scena è stata girata da diverse angolazioni, coordinando le diverse esplosioni a una frequenza di 24 fotogrammi al secondo per poi essere rallentata successivamente. Con gli effetti speciali sono poi stati aggiunti dettagli dei detriti per rendere le esplosioni più realistiche. Il Pont de Bir-Hakeim situato sulla Senna è uno dei primi esperimenti creati da Arianna durante il suo primo tentativo di architettura mentale.

Tangeri (Marocco): la città marocchina fa da sfondo all'incontro tra Cobb ed Eames anche se nel film viene riferito che Eames si trova a Mombasa (Kenya). Le riprese a Tangeri si sono svolte nel mese di agosto. Secondo Brigham, la troupe locale, abituata a partecipare a grandi produzioni, è stata di grande aiuto per la riuscita del film nonostante il caldo proibitivo del periodo estivo. Una scena d'azione che coinvolge DiCaprio e vari inseguitori è stata girata tra i suggestivi vicoli labirintici della piazza Grand Souk al centro della città. Durante le riprese la troupe si è trovata a lavorare a una temperatura di 45 °C e il personaggio di DiCaprio è stato seguito con una telecamera montata su un veicolo, per dare al pubblico la sensazione di un vero inseguimento; quando i vicoli si stringevano, l'attore veniva ripreso con una telecamera manuale, manovrata dallo stesso Nolan. Alcune riprese nei corridoi più stretti sono state effettuate correndo a ritroso davanti all'attore. Diverse comparse e numerosi stuntman sono stati coinvolti nella scena della rissa girata nel tipico mercato locale.

Los Angeles (Stati Uniti): nella città californiana sono stati realizzati diversi set negli studi della Warner Bros.; in particolare sono stati costruiti gli interni delle scene iniziali in cui si vede il castello di Mr. Saito, scenari ispirati al castello Nijō, dimora del 78º imperatore del Giappone. Grazie all'ausilio degli effetti speciali è stato anche possibile realizzare la forte pioggia battente che caratterizza la scena in cui diverse automobili vengono coinvolte in uno spaventoso incidente, compresa la collisione di un treno merci che le travolge al centro della carreggiata. Per realizzarla, sono stati montati serbatoi d'acqua sui tetti degli edifici adiacenti. Il treno che travolge le auto è stato realizzato montando il motore di un vero treno sul telaio di un trattore. Questo compromesso ha risolto l'impossibilità di portare il convoglio su una strada senza binari. Tyler Gaisford, coordinatore dei mezzi meccanici, dichiara che la struttura è stata realizzata ricostruendo alcune parti della locomotiva con materiali più leggeri successivamente verniciate per un effetto più realistico. Nonostante questo però, l'intera struttura è arrivata a pesare circa 11 tonnellate e la difficoltà maggiore si è presentata nel momento in cui il treno doveva essere guidato. A manovrare il veicolo è stato Jim Wikley, che ne Il cavaliere oscuro si è occupato di guidare il camion che viene rovesciato tra le strade di Gotham City, e le riprese sono state effettuate posizionando telecamere all'interno e su tutti i lati della locomotiva.Le scene girate nel furgone durante il primo livello di sogno sono state effettuate utilizzando tredici differenti veicoli, ognuno con peculiarità diverse. Per la riprese in cui i protagonisti cadono in acqua, è stato usato un furgone concepito su una struttura girevole e gli attori sono stati saldamente assicurati da speciali imbragature nascoste sotto i loro abiti. Il veicolo utilizzato nella scena sott'acqua è stato svuotato completamente del motore, dei vari fluidi che potevano risultare pericolosi all'impatto e, successivamente, pulito con l'aiuto del vapore in modo da garantire la totale assenza di materiali pericolosi durante le riprese.

Calgary (Canada): le riprese più difficoltose si sono svolte in Canada, sul rilievo montano vicino alla località di Banff, in Alberta. Dyas e la sua troupe hanno percorso alcune zone in motoslitta ammirando lo splendido paesaggio e trovando infine il Fortress Mountain, una pista sciistica inutilizzata in quel periodo.La struttura a più piani presente nel film è stata completamente costruita con notevoli difficoltà dato che i prodotti utilizzati per verniciare le varie parti si ghiacciavano non appena venivano scoperchiati i barattoli. Per proseguire con i lavori è stata realizzata una struttura alternativa all'esterno dove si è potuto lavorare in condizioni meno proibitive. La costruzione veniva man mano spostata. L'intera palazzina è stata edificata nel rispetto dell'impatto ambientale optando per materiali naturali.Altro problema, dopo avere creato il set, era la mancanza di neve. Qualche giorno prima delle riprese cominciò finalmente un'abbondante nevicata seguita però da numerose tormente. Molti degli attori hanno dovuto cimentarsi sugli sci; Tom Hardy in particolare precedette la produzione in Canada per prendere lezioni, dato che il suo personaggio è il più presente durante le scene d'azione. Tra gli stuntman vi sono diversi sciatori professionisti, due estremi tra cui il canadese Ian McIntosh e alcuni scalatori. Come operatore delle macchine da presa manuali è stato chiamato Chris Patterson, fotografo specializzato in riprese sulla neve, stavolta in veste di cineasta, data l'impossibilità del regista di seguire personalmente le performance dei protagonisti.Le riprese sono incominciate a Tokyo il 19 giugno 2009. Altre location utilizzate sono state Parigi, Londra e Los Angeles. In tutto sei paesi sono stati toccati tra i quali anche il Marocco e il Canada, spostando la produzione in quattro continenti diversi.