當製作小組決定《神偷奶爸》的世界看起來應該是什麼樣子，他們憑直覺就很確定格魯不應該在一個很呆板無趣的社區進行他的邪惡計劃，製片約翰柯恩說：「美術指導雅洛錢尼以及藝術總監艾瑞克貴隆設計了色彩鮮艷活潑的視覺風格，和其它的動畫片截然不同。」

製片克里斯梅勒丹德利說：「片中的角色基本上是誇大的人類角色，這些角色的造型是由最頂尖的角色設計師卡特古德瑞奇設計，他曾經替《料理鼠王》設計過片中角色。」

曾和卡特古德瑞奇合作過的製片珍娜海莉則說：「我很喜歡卡特設計的角色造型，他們都很複雜、搞笑和有趣，他設計的角色範圍很廣，有各式各樣的人物，而且他總是能設計出稍微有一點扭曲，但是絕對很有吸引力的角色。」

導演克里斯雷納德說：「藝術總監艾瑞克貴隆設計的第一樣東西就是格魯的車子，他的設計一直保留著原樣沒有做任何修改，我第一次看到這輛車的時候就說：『哇，我從來沒看過這種車子！』於是《神偷奶爸》這部電影的世界就從這輛古怪的車子開始，逐漸傾向一個比較怪異的風格。」

至於格魯的動作，導演克里斯雷納德和皮耶考芬從肢體喜劇演員彼得謝勒一直到羅溫艾金森得到靈感。格魯這個超級大壞蛋的身材很高大，但是同時又駝背，而且還有一個很大的鷹勾鼻，雖然他走起路看起來有點笨拙，但是有必要的話，他的動作可以像貓一樣靈敏優雅。製作小組從一開始就決定《神偷奶爸》一片以及主人翁格魯的世界絕對不會有很真實的部份，他們希望以獨特的色調和視覺風格，呈現出一個超現實的奇幻世界，充滿了各種和邪惡有關的影像元素。

《神偷奶爸》一片的場景設計也很特別，片中有很多風格迥異的場景，比如說格魯歌德式的房子以及維克特後現代風格的堡壘。製片克里斯梅勒丹德利說：「這些不同的視覺風格反映了片中角色的個性，比如說格魯住在一個全黑的歌德式建築物，但是卻位於一個典型的美國郊區社區，而他開的車應該是全世界最不環保的車子，而且有點破舊，象徵格魯也已經過了他的巔峰時期。」

為了造成反差的效果，格魯的死對頭維克特是一個被寵壞的有錢人家少爺，他住在一個非常現代，充滿各種先進科技的房子，他和格魯住的房子反映出他們倆之間的不同和衝突。

《神偷奶爸》一片中，格魯手下的小小兵非常搶戲，雖然故事一開始並沒有這些小小兵，但是後來這些超口愛的小小兵很快就成為動畫師的最愛，導演雷納德說：「通常要有20個小小兵湊在一起才好笑，所以小小兵出現的每一場戲，幾乎都有幾十個小小兵，這在技術上來說非常有挑戰性。」

製片珍娜海莉說：「小小兵是兩位人超好又超有才華的導演共同創造出來的作品，克里斯先想到他們的原始造型，以及他們身為格魯地下軍團的身分；皮耶則加了很KUSO的動畫風格，並且負責替大部份的小小兵配音。結果就是小小兵只要出現在片中，就一定會有笑果，有些小小兵還有名字和超好笑的髮型，於是小小兵的個性就開始浮現出來。雖然我老是分不出哪一個是傑瑞、戴夫或提姆，但是兩位導演總是分得出來，而小小兵的戲份也愈來愈多，最重要的是，每個小小兵長得都一模一樣，這才是最好笑的地方。」

小小兵的聲音大部份都是導演皮耶考芬配的，而且他和音效師會故事把聲音壓得很尖，然後再和另一位導演雷納德替小小兵研發出很複雜的語言。為了讓觀眾稍微聽得懂他們在講什麼，他們偶爾會說出一個英文單字。製片克里斯梅勒丹德利說：「小小兵的語言著重在聲音而不是傳達任何意義，導演皮耶比較喜歡以動態的方式呈現他的概念，所以他一開始就用很簡單的動畫呈現小小兵的造型和性格，最後他們演化成一群看起來既可愛又天真，然後又調皮搗蛋的小玩意兒。」

《神偷奶爸》不但是Illumination娛樂公司製作的第一部電影，也是第一部以3D技術拍攝的電影。製片和導演從一開始就知道格魯的世界如果以3D呈現，一定會更受觀眾的喜愛，於是編劇在編寫劇本的時候，就會設定哪些場景或戲份要以3D呈現，但是一定要合乎邏輯，比如說格魯和維克特向對方發射飛彈，或是飛機迎面而來之類的戲份。

不管是格魯竊取縮小光的驚險戲份、飛彈在半空中爆炸的場面，或是格魯和三姊妹坐雲霄飛車的刺激畫面，動畫師都希望能讓觀眾和片中角色一起踏上這場冒險旅程。製作小組也發現能夠運用3D效果製造笑果。製片克里斯梅勒丹德利很堅持要適當地運用3D技術拍攝某些鏡頭，而不只是把2D的畫面轉成3D效果，他說：「運用3D技術能幫助我們設定全片的視覺風格，片中有很多戲份非常細膩地運用了3D空間，我們的目的一向是讓觀眾融入整部電影，讓他們覺得彷彿是真的置身於電影裡的空間和環境，我們也會讓觀眾真正感受片中的動作場面。」

製作小組從一開始就希望《神偷奶爸》是一部3D電影，他們創造了不同的3D空間，然後開始把故事建構在3D的環境裡。工作人員甚至搭建了一座雲霄飛車的模型，讓那場戲更有3D的效果。導演克里斯雷納德說：「我們在製作這部電影的過程中，加入更多的3D元素，因為我們都看到以3D技術呈現畫面的效果有多好，而且觀眾是多麼喜歡看3D電影。」