All'alba del 1964, tuttavia, problemi irrisolti con le serie di Gould e Coburn fecero sì che "The Hidden Planet" venisse trasmesso per quinto, subito dopo Marco Polo . Sfortunatamente, quando Hulke iniziò a consegnare le sue sceneggiature, divenne chiaro al team di produzione di Doctor Who che la serie richiedeva un lavoro considerevole. Con meno di due mesi rimasti all'inizio delle registrazioni, ciò significava che un'avventura sostitutiva avrebbe dovuto essere commissionata molto rapidamente.

Nation, nel frattempo, non si era particolarmente divertito a scrivere per Doctor Who e sembra che abbia lavorato poco a "The Red Fort" . Ma quando The Daleks iniziò ad andare in onda alla fine di dicembre, i mostri del titolo divennero immediatamente popolari e gli ascolti del programma salirono alle stelle. Pertanto, il 21 gennaio, Nation incontrò Whitaker e la produttrice Verity Lambert per discutere di ulteriori sceneggiature per Doctor Who. Concordarono che "The Red Fort" dovesse essere abbandonato; al suo posto, Nation avrebbe scritto in fretta una storia di fantascienza in sei parti per sostituire "The Hidden Planet" , avendo dimostrato di saper scrivere rapidamente su The Daleks. Poiché la serie avrebbe dovuto essere completata in sole quattro settimane, Whitaker si offrì di aiutare Nation con le idee, e fu suggerito che la storia dovesse essere composta da diverse piccole avventure per accelerare il processo.

La serie di Nation divenne presto nota come "Le Chiavi di Marinus". Solo alcuni dei dettagli di fondo da lui sviluppati sopravvissero nella versione televisiva. Secondo Nation, i Voord erano invasori alieni che approfittavano della vulnerabilità in cui era stata ridotta la popolazione di Marinus dagli effetti pacificatori della Coscienza. La Coscienza fu disattivata in modo da poter contrastare i Voord. Alla fine, tuttavia, la prolungata permanenza dei Voord su Marinus fece sì che anche loro diventassero vulnerabili alla macchina. Arbitan (il cui nome evocava "arbitro") inviò quindi degli agenti a recuperare le chiavi che avrebbero riattivato la Coscienza, in modo che gli invasori potessero essere finalmente sconfitti.

Gli episodi di apertura e chiusura furono ideati esclusivamente da Nation. Il secondo e il quinto capitolo nacquero dalle discussioni tra Nation e Whitaker. Whitaker ebbe l'idea di una casa piena di trappole per la terza parte; Nation trasferì questa idea a un'ambientazione esterna, poiché i primi due episodi si erano svolti in gran parte al chiuso. Fu Whitaker a suggerire un'ambientazione nordica per la quarta parte, in contrasto con l'ambientazione nella giungla della puntata precedente.

Tra le modifiche successive apportate alla sceneggiatura di Nation, c'era la rimozione di una sequenza del TARDIS dal primo episodio, " Il mare della morte". Qui si scopriva che il motivo del pessimo umore del Dottore quando apparve per la prima volta nella prima puntata del programma, " 100.000 a.C." , era dovuto al fatto che aveva chiesto aiuto alla BBC per ripristinare il colore sullo schermo dello scanner del TARDIS, solo per scoprire che erano "infernalmente riservati"!

Il regista assegnato a "Le Chiavi di Marinus" era John Gorrie, che era stato promosso da assistente direttore di sala all'inizio del 1963. Gorrie era molto riluttante a lavorare a Doctor Who, perchè aspirava a dirigere classici e non essendo interessato alla fantascienza. Le riprese iniziarono il 5 marzo presso i BBC Television Film Studios di Ealing, Londra. Tra queste, la prima inquadratura in assoluto della materializzazione del TARDIS, un effetto plastico dell'atterraggio della Nave sulla spiaggia.

Nel frattempo, si era deciso che i quattro personaggi principali fossero ormai sufficientemente affermati da consentire ai membri principali del cast di concedere due settimane di pausa, distribuite nel resto della stagione. Il primo a ricevere una vacanza fu William Hartnell e così, il 17 marzo, Whitaker ristrutturò il terzo e il quarto episodio di The Keys Of Marinus per eliminare completamente il Dottore. Originariamente, accompagnava Susan e Sabetha in The Snows Of Terror, e il suo anello sarebbe stato trovato nella capanna di Vasor insieme ai quadranti di viaggio e alle chiavi della Coscienza. Invece, ora sarebbe saltato direttamente a Millenius, il luogo in cui si trova la chiave finale. Invece di apparire solo nel secondo episodio, Altos fu inserito nel resto della serie per compensare l'assenza del Dottore.

Le registrazioni di " The Sea Of Death" si sono svolte venerdì 20 marzo presso il Lime Grove Studio D di Shepherd's Bush, Londra; come di consueto, i restanti cinque episodi sono stati registrati in venerdì consecutivi. Hartnell era assente sia il 3 che il 10 aprile, mentre si godeva le sue vacanze.

Il 26 marzo, Whitaker fu costretto a difendere il terzo capitolo, The Screaming Jungle, dall'accusa di plagio mossagli da Robert Gould. Il 4 febbraio, Whitaker e Gould avevano concordato che la sua "minuscola" avventura sarebbe stata abbandonata a causa di insormontabili difficoltà con la sceneggiatura. Gould aveva suggerito di scrivere invece una storia su un pianeta in cui le piante trattano le persone come gli abitanti della Terra trattano le piante. Il 9 febbraio, Gould informò Whitaker di aver deciso di non sviluppare il concept. Ora, tuttavia, era preoccupato che The Screaming Jungle, con la sua ostile vita vegetale, fosse stata ispirata dalla sua idea. Whitaker riuscì a convincere il capo dei serial Donald Wilson che non era così.

Il 25 aprile, "The Screaming Jungle" è stato il primo episodio di Doctor Who ad essere trasmesso sotto il nome del canale BBC One; BBC Television aveva cambiato nome in concomitanza con il debutto di BBC Two il 21 aprile. Con la trasmissione del quinto episodio, " Sentence Of Death", Doctor Who è tornato alla sua fascia oraria originale delle 17:15 dopo sole sei settimane, alle 17:30. Anche i programmi adiacenti, "The Telegoons" e "Juke Box Jury", iniziavano un quarto d'ora prima.

I diritti dei primi tre serial di Doctor Who di Nation – The Daleks , The Keys Of Marinus e The Dalek Invasion Of Earth – furono tutti opzionati da Amicus per l'adattamento cinematografico. Ma mentre le altre due avventure alla fine arrivarono sul grande schermo, i diritti di The Keys Of Marinus furono infine abbandonati. Ciò fu probabilmente dovuto all'assenza dei Dalek dalla storia.