रोम में नक़ली कार्यकारी शीर्षक "ओबेलिस्क" के तहत 4 जून 2008 को फ़िल्मांकन शुरू हुआ। फ़िल्म निर्माताओं ने 30 जून को होने वाली भावी 2008 स्क्रीन अभिनेता गिल्ड की हड़ताल के मद्दे नज़र, बाहरी स्थान में तीन सप्ताह के लोकेशन फ़िल्मांकन का कार्यक्रम रखा। इस विराम को अनुमत करने के लिए बाक़ी फ़िल्म का फ़िल्मांकन लॉस एंजिल्स, कैलिफोर्निया में अवस्थित सोनी पिक्चर्स स्टूडियो में किया जाना था। रोमन कैथोलिक चर्च के अधिकारियों ने "दा विंची कोड" को आपत्तिजनक पाया और चर्च में फ़िल्माने से उनको मना कर दिया, अतः इन दृश्यों को सोनी में फ़िल्माया गया। कैसर्टा पैलेस, वैटिकन का अंदरूनी हिस्सा बना, और वैटिकन लाइब्रेरी के लिए बाइब्लिओटेका एंजलिका का इस्तेमाल किया गया। जुलाई के दौरान, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स में फ़िल्मांकन किया गया। सोनी और इमाजिन एंटरटेनमेंट ने पर्यावरण अनुकूल फ़िल्मांकन का आयोजन किया, जिसमें शूटिंग की जगह का चुनाव, समय और ईंधन की बचत के आधार पर किया गया, सेट की दीवारों या हरे परदों को सहारा देने के लिए कार्गो कंटेनरों का इस्तेमाल किया गया और साथ ही, भावी निर्माण के लिए रंगमंचीय साज-सामान का भंडारण किया गया या उन्हें दान में दे दिया गया।

हावर्ड को इस बात का गिला था कि राइटर्स गिल्ड की हड़ताल की वजह से उन्हें गर्मियों के दौरान फ़िल्म की शूटिंग करनी पड़ी, जहां भीड़ उन्हें दृश्यों को फ़िल्माते हुए देखने के लिए एकत्रित हो गई और कुछ "हैप्पी डेस" विषयक गाना उन्हें गाकर सुनाने भी लगे। इनके बावजूद, उन्होंने महसूस किया कि जल्दी से फ़िल्मांकन ने उनकी पिछली फ़िल्म "फ्रॉस्ट/निक्सन" में उनके द्वारा प्रयुक्त प्रकृतिवाद के परिष्करण में उनकी मदद की, जहां दृश्यों को अतिरिक्त स्फूर्ति देने के लिए हस्तधारित कैमरा उपयोग में लाए गए। हैंक्स ने एक दृश्य को फ़िल्माने में बाधा डाली, ताकि वे ऑस्ट्रेलियाई दुल्हन, नटालिया डियर्नले को भीड़ के बीच से निकल कर, उन्हें अपनी शादी के लिए समय पर पहुंचने में मदद कर सकें; ज़ूरर ने याद करते हुए कहा कि दुल्हन ने हैंक्स से कहा था, "आपके बाल अब बहुत अच्छे हैं।" मॅकग्रेगर ने बताया कि पोप का अंतिम संस्कार, फ़िल्म का उबाऊ दृश्य था, क्योंकि वे केवल सीढ़ियों पर चल रहे थे। फिर, "किसी ने 'बोहीमियन रैप्सोडी' गाना शुरू कर दिया [और] यह अंतिम संस्कार की थीम धुन बन गई।

सेंट पीटर महामंदिर के आंतरिक भाग की पुनर्रचना के दौरान, प्रोडक्शन डिज़ाइनर एलन कैमरून और दृश्य प्रभाव पर्यवेक्षक एंगस बिकर्टन ने जाना कि 80 फुट लंबे साउंडस्टेज, आकार में असली चर्च के केवल आधे ही थे। उन्होंने आस-पास के क्षेत्र को और स्तंभों के निचले हिस्सों तथा सेंट पीटर की प्रतिमा सहित, सेंट पीटर वितान के नीचे तहखाने का पुनर्निर्माण किया और उसे 360 डिगरी हरे परदे से घेर लिया, ताकि बाक़ी को डिजिटल तकनीक से रचा जा सके। कैमरॉन ने बीस कर्मीदल के सदस्यों को जितना उनसे संभव हो सके, सिस्टिन चैपल के भीतर की तस्वीर निकालने और चित्रकारों को उन तस्वीरों से चित्र और पच्चीकारी के स्केच, फ़ोटोग्राफ़ और विशाल पुनर्सृजन के लिए कहा. कैमरून ने सिस्टिन चैपल को उसकी सफाई से पहले जैसे वह था, वैसे दिखाना चाहा, क्योंकि कार्डिनलों के साथ धूमल और फीके रंग जो भेद दिखलाएंगे, वह उन्हें पसंद था। हालांकि चैपल को पूरे आकार में बनाया गया, पर साला रेजिया को छोटा बनाया गया, ताकि मंच के अंदर फिट हो सके। 

सेंट पीटर स्क्वायर और पियाज़ा नवोना के सेट एक ही मंच पर बनाए गए थे; पहली जगह दृश्यों के पूरा होने पर, महामंदिर के बाज़ू को तोड़ने और फव्वारे के निर्माण के लिए 3 1/2 फ़ीट पक्की सड़क की खुदाई के द्वारा, सेट को बदलने में छह सप्ताह लगे। असली पियाज़ा नवोना में फ़िल्मांकन होने की वजह से, उसमें तथा उसकी प्रतिकृति में परिवर्तन करते समय किसी अंतर का ना होना ज़रूरी था। सांता मारिया डेल पोपोलो के नवीकरण को दर्शाने के लिए, रोम में असली चर्च के सामने स्थित एक पुलिस स्टेशन के बाहरी हिस्से का इस्तेमाल किया; उसके ढांचे से पता नहीं चला कि वह चर्च नहीं था। कैमरॉन ने पैसे बचाने के लिए सांता मारिया डेला विट्टोरिया की भांति ही सेट पर सांता मारिया डेल पोपोलो के अंदरूनी हिस्से का निर्माण किया; ढांचे ने इसे भी छिपा दिया। सांता मारिया डेला विट्टोरिया का फ़िल्मी रूपांतरण असली भवन से बड़ा था, अतः दृश्य फ़िल्माने के लिए प्रयुक्त क्रेनों के लिए भी वहां जगह बन सका। सर्वदेवमंदिर के आंतरिक भाग को फ़िल्माने के लिए, दो छोटे मंदिर और राफ़ायल की कब्र का पुनर्निर्माण 30 फुट की ऊंचाई के पैमाने पर बनाया गया, जबकि बाक़ी सब हरे परदे थे। इमारत के सममितीय अभिन्यास के कारण, फ़िल्म-निर्माता दो दिनों में पूरे दृश्य का फ़िल्मांकन कर पाए और असली को ऐसे समंजित किया कि वह दूसरा लगे। दूसरे यूनिट ने विशाल हैड्रान कोलाइडर की तस्वीरें लीं और इन्हें CERN में सेट किए गए स्थापित दृश्यों में चिपकाया.

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