2009年5月、20世紀フォックスとシード・プロダクションズは『ウルヴァリン:X-MEN ZERO』公開から数日後にして続編の製作を決めた[4]。2009年8月、シリーズ第1作『X-メン』で改稿に関わったクリストファー・マッカリーが脚本に起用され[5]、マッカリーは2010年3月までに脚本を仕上げた[6]。

2010年10月、ダーレン・アロノフスキーが監督に就任し、2011年3月からニューヨークと日本で撮影が開始予定であると報じられた[7]。2010年11月にアロノフスキーは、それまで『Wolverine 2』と呼ばれていた映画の正式なタイトルが『The Wolverine』に決定したことともに、映画はいわゆる続編ではなく一回限りの作品となることを伝えた[8]。

しかし2011年3月、アロノフスキーは監督を降板した。彼はフォックスとの共同声明で降板の理由を「フォックスのパートナーと話し合いを進めるうちに、完成するためには1年近く外国に滞在しなくてはならないことが明らかになった。それだけ長い時間、家族と離ればなれになるのは抵抗があった」と明かしている[9]。また、フォックスは同月に発生した東北地方太平洋沖地震の被害状況を考慮し、製作を急がないとする判断を下した[10]。

2011年5月、『バラエティ』はフォックスが検討している監督候補としてジョゼ・パジーリャ、ダグ・リーマン、アントワーン・フークア、マーク・ロマネク、ジャスティン・リン、ギャヴィン・オコナー、ジェームズ・マンゴールド、ゲイリー・ショアの名を報じ[11]、2011年6月には『Deadline New York』がマンゴールドに決まったと報じた[12]。

2011年8月、フォックスは2011年秋に始まる予定だった撮影を延期した。ジャックマンの『レ・ミゼラブル』の撮影が優先されたためとみられている[13]。2011年9月にはマーク・ボンバックが脚本の改稿を務めることが明らかになった[14]。2012年2月には2013年7月26日の北米における公開日が決まった[15]。

2012年7月には真田、ヤマノウチ、TAO、RILA[16]、リー、ティー[17]の出演と役柄が明らかになり、ジェシカ・ビールがヴァイパーを演じるとも報じられた[18]。しかしビールの出演交渉は決裂したことが後に明らかになり、ヴァイパー役はスヴェトラーナ・コドチェンコワに決まった[19]。

2012年7月31日、オーストラリア・ニューサウスウェールズ州のボタニー湾岸で撮影が開始された[20]。2012年8月3日にはピクトン（英語版）で町をカナダのユーコン地方に見立てた撮影が開始された[21]。2012年8月25日には日本での撮影が始まり[22]、東京都港区芝公園の東京タワーや増上寺[23]、広島県福山市の福山駅や鞆の浦で2012年9月11日まで行われた[24][25]。