Lucarotti era interessato a scrivere un'avventura storica per Doctor Who e suggerì che potesse coinvolgere l'esploratore veneziano Marco Polo. Questa narrazione gli avrebbe permesso di utilizzare il materiale che aveva raccolto durante le ricerche per il suo precedente serial radiofonico. Uno degli esploratori più noti della storia, Polo lasciò Venezia nel 1271 per accompagnare il padre e lo zio al palazzo di Kublai Khan a Shangdu, in Cina (che gli europei conoscevano come "Cathai"). Polo impressionò il Khan e viaggiò ampiamente attraverso le terre cinesi su suo ordine; servì anche come emissario del Khan in India e Birmania. Tuttavia, i Polo erano diventati troppo utili al Khan, che negò ripetutamente loro il permesso di tornare in patria. Alla fine acconsentì intorno al 1291 e i Polo tornarono a Venezia passando per Costantinopoli nel 1295. Circa un anno dopo, Polo fu catturato durante una guerra con Genova e raccontò le sue imprese a un compagno di prigionia, Rustichello da Pisa. Polo divenne famoso in tutta Europa quando Rustichello raccolse le sue memorie in un libro, che divenne noto come I viaggi di Marco Polo (originariamente Le meraviglie del mondo o Descrizione del mondo).

Il serial di Lucarotti, "Viaggio nel Cathay", è stato commissionato il 9 luglio. Nella stesura delle sue sceneggiature, Lucarotti ha attinto ampiamente alle memorie di Polo. Il percorso seguito nel serial è stato ispirato dal viaggio originale di Polo a Shangdu, che culminò intorno al 1275. Ping-Cho si è ispirato a una figura realmente esistita, la giovane principessa Kököchin, che Polo scortò in Persia nel 1293. La principessa era promessa sposa al pronipote del Khan, Arghun, che aveva quasi il doppio dei suoi anni. Al loro arrivo, tuttavia, scoprirono che Arghun era morto e Kököchin ne sposò invece il figlio, Ghazan. Questo fu davvero l'ultimo servizio reso da Polo a Kublai Khan prima di ottenere il permesso di tornare a casa.

Tegana, Acomat e Noghai prendono il nome dai sovrani tartari menzionati nelle memorie di Polo. Molti dei fatti storici inclusi da Lucarotti nelle sue sceneggiature, come le descrizioni delle stalle del Khan, provenivano anch'essi da " I viaggi di Marco Polo". Insolitamente, Lucarotti propose una mappa animata e una narrazione fuori campo per contribuire a evocare il lungo viaggio. Inizialmente, si pensava che i narratori sarebbero stati il Dottore, Ian e Barbara, prima che si decidesse invece che questi rappresentassero estratti dai diari di Marco Polo.

"A Journey To Cathay" avrebbe dovuto essere originariamente la terza storia di Doctor Who. Tuttavia, a fine ottobre, problemi di budget hanno portato Donald Baverstock, il responsabile dei programmi di BBC One, a rifiutare di autorizzare la continuazione della serie oltre i tredici episodi iniziali. Poiché l'avventura di Lucarotti era stata preceduta da " La ragazza extraterrestre" (quattro episodi) e "The Daleks" (sette episodi), esisteva il rischio che il programma venisse interrotto a metà della serie di Marco Polo. Pertanto, è stata commissionata la realizzazione e la trasmissione di " Inside The Spaceship" , in due parti, dopo "The Daleks" . La produzione di "A Journey To Cathay", ora quarta in palinsesto, ha finalmente ricevuto il via libera da Baverstock il 22 novembre, quando ha ordinato un secondo blocco di tredici episodi.

Il regista assegnato a "A Journey To Cathay" era Waris Hussein. Hussein aveva già diretto La ragazza extraterrestre e inizialmente si prevedeva che avrebbe alternato le puntate con Rex Tucker per tutta la stagione. Nonostante lo spostamento della storia di Lucarotti nell'ordine di esecuzione, Hussein rimase in carica come regista, anche se per un breve periodo si pensò che il regista junior Richard Martin (che aveva maturato esperienza sia con The Daleks che con Inside The Spaceship ) avrebbe potuto dirigere il quarto e il sesto capitolo.

Le riprese iniziarono il 13 gennaio 1964 presso i BBC Television Film Studios di Ealing, Londra, per cinque giorni. Diverse scene furono completate, in particolare il combattimento con la spada tra Polo e Tegana nella sala del trono, così come quelle che prevedevano l'uso di notevoli quantità d'acqua. Come per " La ragazza extraterrestre" , Hussein assegnò parte del materiale girato all'assistente di produzione Douglas Camfield, che sarebbe presto stato promosso a regista e che in seguito avrebbe lavorato attivamente in Doctor Who .

Le registrazioni in studio iniziarono quindi al Lime Grove Studio D di Shepherd's Bush, Londra, il 31 gennaio; ogni episodio sarebbe stato registrato lì nei venerdì successivi. William Hartnell si ammalò la settimana successiva e così la seconda parte, The Singing Sands, fu ristrutturata per minimizzare il ruolo del Dottore. In particolare, una scena iniziale con Susan e Barbara sostituì una versione con Susan e suo nonno. Si verificò un piccolo errore quando la didascalia "Prossimo episodio" usata alla fine della puntata faceva riferimento a "La grotta dei cinquecento occhi", sebbene il titolo della quarta parte fosse già stato abbreviato semplicemente in Five Hundred Eyes .

Il 20 febbraio, Doctor Who è apparso per la prima volta sulla copertina della rivista Radio Times, sebbene l'episodio di debutto di La ragazza extraterrestre avrebbe dovuto ricevere questo trattamento il novembre precedente. La fotografia in bianco e nero ritraeva Hartnell con le guest star Mark Eden e Derren Nesbitt, che interpretavano rispettivamente Marco Polo e Tegana.

Unico tra tutti gli episodi di Marco Polo, "The Wall Of Lies" - registrato il 21 febbraio - è stato diretto da John Crockett, un ex scenografo. Crockett fu così stimolato dal compito che, il 26 febbraio, scrisse un promemoria a Whitaker suggerendo una serie di possibili ambientazioni storiche che Doctor Who avrebbe potuto seguire. Tra queste, le incursioni vichinghe in Gran Bretagna, Bonnie Prince Charlie, le Crociate, Caterina de' Medici e i contrabbandieri della Cornovaglia sarebbero state tutte utilizzate in una forma o nell'altra (anche se l'influenza di Crockett è dubbia).

Il 22 febbraio, William Russell parlò con il suo agente, T. Plunkett Green, delle sue recenti frustrazioni per Doctor Who. Russell riteneva che lui e le co-protagoniste Jacqueline Hill e Carole Ann Ford fossero stati offesi dalla loro omissione dalla copertina di Radio Times in favore di due interpreti ospiti. Russell era anche scontento dei sei minuti di nuove scene aggiunte a "The Wall Of Lies" l'ultimo giorno di prove. Il 28 febbraio, il responsabile delle serie Donald Wilson rispose a Plunkett Green dopo aver discusso la questione con Verity Lambert. Entrambi simpatizzarono per le preoccupazioni di Russell e concordarono che tutti i membri del cast regolare sarebbero stati consultati più attentamente in merito alle sceneggiature in futuro.

Il 28 febbraio si è tenuta la registrazione del quinto episodio, " Rider From Shang-Tu". La situazione è stata complicata dalla presenza sul set di una scimmia ragno che, nella narrazione, apparteneva al ladro Kuiju. L'animale assunto per lo scopo non era un artista qualificato; terrorizzato dall'esperienza, ha trascorso gran parte della giornata a fare pipì in giro per lo studio, e il lavoro è stato ritardato quando è scappato sulle travi.

La registrazione del sesto episodio, Mighty Kublai Khan, il 6 marzo fu preceduta da un rimontaggio della scena finale della quinta parte. In questo periodo, la serie fu rinominata Marco Polo. Il 13, la registrazione del finale della serie, Assassin At Peking, fu ritardata quando il capo dei vigili del fuoco espresse preoccupazioni circa il posizionamento di alcune apparecchiature estranee nello Studio D. Questa situazione esacerbò ulteriormente le frustrazioni del team di produzione riguardo alla sede di Doctor Who nell'antiquata struttura di Lime Grove. Il 18 marzo, il produttore associato Mervyn Pinfield scrisse a Wilson per lamentarsi del fatto che le condizioni anguste dello Studio D fossero peggiorate dal suo apparente utilizzo come magazzino.

Il 9 marzo, Lambert venne informata che la sua richiesta di spostare indietro di quindici minuti la fascia oraria di Doctor Who, alle 17:30, era stata accolta. Questo avrebbe avuto effetto con Mighty Kublai Khan il 28 marzo, e avrebbe significato che Doctor Who avrebbe seguito la seconda stagione di The Telegoons nel palinsesto televisivo della BBC, pur precedendo Juke Box Jury.