W lipcu ujawniono, że Kevin Bacon prowadzi rozmowy dotyczące zagrania roli antagonisty w filmie, a do obsady dołączyli: Lucas Till jako Havok, Nicholas Hoult jako Beast, Jennifer Lawrence jako Mystique i Edi Gathegi jako Darwin. W tym samym miesiącu potwierdzono udział Bacona i pojawiły się doniesienia, że zagra on Sebastiana Shawa.
W następnym miesiącu do obsady dołączyli: Rose Byrne jako Moira MacTaggert, Jason Flemyng jako Azazel, Zoë Kravitz jako Angel Salvadore, January Jones jako Emma Frost oraz Oliver Platt. Ujawniono wtedy, że Bill Milner i Morgan Lily zagrają Erika i Mystique jako dzieci, a we wrześniu ogłoszono, że Laurence Belcher pojawi się jako młody Charles. Poinformowano też, że Álex González zagra Riptide’a.
Zdjęcia i postprodukcja Zdjęcia do filmu rozpoczęły się pod koniec września 2010 roku Oksfordzie w Wielkiej Brytanii. Później produkcja przeniosła się do Pinewood Studios pod Londynem, a w październiku – do Georgii w Stanach Zjednoczonych. Zrealizowano wtedy zdjęcia między innymi na wyspie Jekyll w okolicy Savannah. Englefield House w hrabstwie Berkshire posłużył jako Instytut Xaviera, a wnętrza rezydencji zaaranżowano w taki sposób, by przypominała budynek z poprzednich filmów serii. Somerset House w Londynie odgrywały wnętrza banku w Genewie. Wnętrza Australia House w Londynie posłużyły jako Kreml.