To, že se filmaři obešli bez reálných kulis a kostýmů (byly pouze na začátku práce naskenovány), práci na filmu sice zjednodušilo, ale učinilo ji též náročnější na přípravu a koordinaci. Při vytváření obrazů Polárního expresu filmaři začali přesně tam, kde začal i Van Allsburg: ve štědrovečerní měsíčním svitem zalité chlapcově ložnici ve chvíli, kdy poprvé uslyší, jak venku zastavil vlak. "Věnovali jsme spoustu úsilí tomu, abychom zachovali stylizaci knihy," říká výtvarník Chen. "Pastelové obrazy jsou impresionistické, mají spoustu kontrastujících zdrojů světla a stínů. Současně jsme ale také chtěli vytvořit svět, kterému byste mohli uvěřit, jako kdyby na ulici vedoucí od chlapcova domu a za rohem byly další domy a celé město." Film ovšem musel nejen rozšířit motivy z Van Allsburgových ilustrací na celé plátno, a zároveň rozvést příběh knihu tak, aby odpovídala příběhu celovečerního filmu.
Když byla hotova většina příprav, začal Zemeckis pracovat s herci na fázi natáčení. Prosté minimalistické scény vyměřené tak, aby odpovídaly úzkému, 360-stupňovému digitálnímu čidlu. V něm se děj a příběh odehrávaly v detailním zaměření na fyzické prvky scény, a kulisy byly velmi skromné či nebyly vůbec žádné. Zde na jevištích číslo 2, 3 a 4 ve studiích Culver Studios mohl prázdný okenní rám představovat třeba okno, zatímco základní bloky hrubého dřeva nahrazovaly dveře nebo kusy nábytku. Tyto náhražky zajišťovaly hercům základní místa, podle kterých se mohli orientovat ve vztahu k obrázkům scén dokončených v počítači. Na tomto místě se Zemeckis cítil "osvobozený od technických aspektů filmové tvorby" a sdílel se svými herci v každé scéně tradiční vztah herce s režisérem.
"Kniha nám byla inspirací ve všem," říká o vzniku filmu režisér Zemeckis. Když byl do filmu přenášen Van Allsburgův obraz ostatních dětí cestujících ve vlaku, vybral si Zemeckis tři různé obličeje dětí a ke každému z nich vymyslel jeden příběh, čímž do filmu vnesl postavy jako dívku Holly, chlapce samotáře a chlapce Chytrolína. Herci si oblékli přiléhavé obleky pro snímání pohybů, které připomínaly oděvy potápěčů. Na každém z nich se nacházelo zhruba 60 "perel" neboli snímačů ze světlého a reflexního materiálu, které umožňovaly digitálním kamerám zaznamenávat pohyby těla jako konfiguraci trojrozměrných bodů. Ty pak byly převáděny do plynulé a přirozené akce ve virtuálním světě. Jelikož skutečnou hlavní výhodou záznamu hraní je možnost spojit upřímné lidské emoce a přirozené výrazy s nekompromisní čistotou a detailem, byla speciální pozornost věnována obličejům herců. Až 150 reflexních "perel" jim bylo vsazeno do obličejů a vlasů tak, aby přiléhaly k liniím svalů. Byly přilepeny k očním víčkům, k řasám, k horním a dolním rtům, k bradě a ke tvářím. Jenom jejich osazení trvalo téměř dvě hodiny. Jakmile byli herci takto vybaveni, odehráli svoje role stejně, jako kdyby byli na scéně, ovšem bez rušivých vlivů chvátajícího filmového štábu.
Výkony herců byly plně převedeny do trojrozměrných dimenzí a následně byly integrovány do již existujících virtuálních scén. Od tohoto okamžiku již postavy žily v počítači. "Už bylo možné vidět postavy v pohybu, jak procházejí scénami stejně, jako při snímání hraní," říká Starkey. A teď teprve začala ta pořádná legrace z pohledu režiséra. Do počítače bylo umístěno něco, co lze nejlépe popsat jak virtuální kameru - pohyblivý a nahrávatelný úhel pohledu, se kterým je možné manipulovat obdobně jako se skutečnou kamerou. "Máte tudíž digitální scénu, do které vložíte hraní vašich herců. Pak vezmete digitální kameru a vložíte jí tam také. A ta digitální kamera pak bude natáčet všechny ty digitální obrazy úplně stejně, jako by to dělala běžná kamera - natočí prostě oblast, na kterou je namířena," vysvětluje Zemeckis. Základním rozdílem oproti klasickému filmu je, že zatímco u normálního filmu má režisér na konci natáčení je dispozici jen to, co bylo doopravdy natočeno, v systému záznamu hraní může kdykoli změnit svůj názor, vrátit se ke zdrojovému materiálu a úplně změnit úhel pohledu. Každý potenciální záběr jakékoli hloubky a z jakéhokoliv úhlu existuje dál v každé virtuální scéně.
