La productora Lauren Shuler Donner pensó por primera vez en una precuela centrada en los jóvenes X-Men durante la producción de X2, y la idea se retomó luego durante X-Men: The Last Stand.

Antes de First Class, se desarrolló un proyecto separado llamado X-Men Origins: Magneto, escrito por Sheldon Turner como 'The Pianist encuentra X-Men', ambientado entre 1939 y 1955, pero fue cancelado por factores como la huelga de guionistas de 2007-08.

El productor Simon Kinberg sugirió a 20th Century Fox adaptar el cómic X-Men: First Class, aunque finalmente la película se alejó bastante de su trama original.

Bryan Singer, director de las dos primeras películas de X-Men, iba a dirigir el proyecto pero abandonó el cargo en marzo de 2010 por su compromiso con Jack the Giant Killer, quedándose solo como productor y coguionista.

Matthew Vaughn fue contactado para dirigir después de que Simon Kinberg viera su película Kick-Ass; Vaughn pensó al principio que la oferta de Fox era una broma.

Se descartó una escena de acción ambientada en una habitación giratoria de tipo sueño después del estreno de Inception (2010), por su parecido conceptual.

Matthew Vaughn ofreció primero el papel de Sebastian Shaw a Mark Strong, quien lo rechazó, antes de que Kevin Bacon fuera elegido.

El actor Benjamin Walker fue elegido inicialmente para interpretar a Hank/Beast, pero rechazó el papel para protagonizar el musical de Broadway Bloody Bloody Andrew Jackson.

Jennifer Lawrence aceptó el papel de Mystique tras el drama Winter's Bone buscando algo más ligero, y tuvo reservas sobre su interpretación por la comparación con Rebecca Romijn, a quien consideraba 'la persona más hermosa del mundo'.

Rebecca Romijn hace un cameo breve y sin acreditar como la Raven adulta, una broma interna añadida por Vaughn ya que el guion sugiere que Mystique se convertiría en un icono sexual como Brigitte Bardot o Marilyn Monroe.

Hugh Jackman aceptó hacer un cameo no acreditado como Lobezno porque era el único personaje que podía decir una palabrota en la película.

Stan Lee no pudo hacer su tradicional cameo en esta película porque, según explicó, 'la rodaron demasiado lejos'.

El rodaje principal comenzó el 31 de agosto de 2010 en Oxford y se trasladó después a Pinewood Studios y a locaciones de Georgia (EE.UU.), Rusia y Argentina, aunque la escena ambientada en Villa Gesell se filmó en una provincia sin playas sino con montañas.

Se plantaron palmeras artificialmente en la arena de Jekyll Island para simular un ambiente tropical, pero el clima frío hizo que se secaran y pusieran marrones a los pocos días, obligando a una importante corrección digital de color.

Al finalizar el rodaje principal en diciembre de 2010, solo se había filmado la mitad del clímax porque los productores se dieron cuenta de que la versión planeada no funcionaba, por lo que se realizó material adicional hasta abril de 2011, dejando solo tres o cuatro semanas para la posproducción.

Jennifer Lawrence tuvo que someterse a un proceso de maquillaje de ocho horas para transformarse en Mystique azul, y el primer día de aplicación le provocó ampollas en la parte superior del cuerpo.

El diseño de Bestia se rediseñó para verse más feroz que la versión de Kelsey Grammer en X-Men: The Last Stand, usando pelaje real teñido de zorro para el traje.

La batalla naval final es casi completamente digital, con modelos en 3D de 16 buques de guerra y un submarino, mientras que el jet X-Jet está basado en un SR-71 Blackbury modificado.

Para el poder de absorción de energía de Shaw, la empresa Digital Domain creó un efecto llamado 'eco cinético', duplicando y deformando digitalmente a Kevin Bacon en rápidas iteraciones.

El compositor Henry Jackman, que ya había colaborado con Vaughn en Kick-Ass, se inspiró en los temas musicales de John Barry para crear una partitura de estilo 'pop elegante' para la película.

La estética de la película de los años 60 se inspiró directamente en las películas de James Bond de la época, tanto en vestuario como en fotografía y en la animación de los créditos finales, inspirada en el trabajo de Saul Bass y Maurice Binder.