Casting W listopadzie 2000 roku ujawniono, że Patrick Stewart i Ian McKellen podpisali kontrakty na udział w trzech filmach. W czerwcu 2004 roku James Marsden poinformował, że powinna powrócić większość obsady z drugiej części. W lutym 2005 Famke Janssen, której postać zginęła w poprzedniej części, ujawniła, że zagra również w trzecim filmie. W kwietniu negocjacje rozpoczął Vinnie Jones do roli Juggernauta. Wtedy potwierdzono również powrót Stewarta, McKellena, Hugh Jackmana i Halle Berry.

W maju 2005 roku Kelsey Grammer dołączył do obsady jako Beast. W czerwcu 2005 poinformowano, że Alan Cumming nie powróci jako Nightcrawler. W lipcu obsadzono Bena Fostera jako Angela, Michaela Murphy’ego jako jego ojca, Warrena Worthingtona II i Elliot Page jako Kitty Pryde. W sierpniu do obsady dołączyli Bill Duke jako Bolivar Trask i Olivia Williams jako Moira MacTaggert. W grudniu poinformowano, że Meiling Melançon zagra Psylocke.

Zdjęcia i postprodukcja Zdjęcia do filmu rozpoczęły się w sierpniu 2005, a zakończyły się w styczniu 2006 roku. Film był kręcony w Vancouver w Kanadzie. Za zdjęcia odpowiadał Dante Spinotti, scenografią zajął się Edward Verreaux, a kostiumy zaprojektowała Judianna Makovsky.