數字孿生技術可以支持智能生產系統的設計、建設以及運營管理。和產品生命周期類似，生產製造系統也有其生命周期。
生產系統的規劃設計會有一個協同優化問題：產品工藝設計，需要生產系統作為約束，而生產系統的設計，需要產品工藝要求為指導。傳統的生產系統建造方法，是在產品工藝初步確定的情況下進行設計和建造，帶來的問題就是產品工藝變化會帶來生產系統設計方案的變化，但是這一變化不一定能同步完成，會造成部分返工，或者最終實現的工藝設計方案不是最優的妥協方案。利用數字孿生技術可以解決這一問題。
在數字孿生技術出現之前，數字化工廠就是解決產品設計和工廠設計的協同問題。一方面，通過構建工廠虛擬模型，可以對產品可製造性進行分析，同時，利用產品數字模型和加工需求，來對工廠設計方案進行完善。數字孿生技術通過實時數據的引入可以進一步提升數字化工廠的效率和準確性。這方面表現在工廠布局規劃、工藝規劃和物流優化幾個方面。
1）布局規劃。基於數字孿生的生產布局規劃相比傳統布局規划具有巨大的優勢性。相比傳統的利用二維圖紙或者靜態模型進行布局規劃的方法，基於數字孿生模型的車間布局規劃設計優勢主要體現在：車間數字孿生設計模型包含所有細節信息，包括機械、自動化、資源及車間人員等，並且和製造生態系統中的產品設計無縫連接；專用模型庫，實現車間的快速規劃設計；方便維護和重構，與實際車間同步更新；支持各類虛擬試驗仿真，更好地支持車間的疊代更新。
工藝規劃和生產過程仿真。利用工廠數字孿生體積累的數據和模型，對產品的工藝設計方案進行驗證和仿真，可以縮短加工過程、系統規劃以及生產設備設計所需要的時間，具體包括：製造過程模型：形成對應如何生產相關產品的精確描述；生產設施模型：以全數字化方式展現產品生產所需要的生產線和裝配線；生產設施自動化模型：描述自動化系統如何支持產品生產系統。數字孿生為整個生產系統的虛擬仿真、驗證和優化提供支持。
2）物流優化。生產物流規劃包括工廠或車間物流和供應鏈物流，合理的物流規劃路線對於保證企業的正常生產、生產效率的提高及產品成本的降低具有重要的作用。傳統模式下的物流規劃是離線進行的，但是這種模式下的物流規劃無法適應實際運行過程中的實時狀態變化，導致規劃結果不能真正適應物理世界的實際環境，從而不能起到指導實際物流運行的作用。利用工廠數字孿生體和供應鏈企業的數字孿生體模型，可以優化工廠的物流方案，包括物流設施的配置、物流路線設計、物流節拍等。