Jon Favreau intendeva originariamente creare una trilogia in cui Obadiah Stane sarebbe diventato Iron Monger nei sequel, ma dopo un incontro con autori di fumetti come Mark Millar, Stane fu spostato come villain principale nel primo film.
Favreau aveva inizialmente pensato al Mandarino come villain, ma Mark Millar lo convinse che il personaggio era troppo fantastico per quel momento della saga, paragonandolo a Darth Vader rispetto all'Imperatore in Star Wars.
Il film avrebbe dovuto esplorare l'alcolismo di Tony Stark ispirandosi alla storyline dei fumetti 'Demon in a Bottle', ma la trama fu attenuata perché i dirigenti dello studio temevano l'impatto sul marketing e sulla vendita di merchandising di un Iron Man alcolizzato.
Shane Black diede consigli sulla sceneggiatura suggerendo a Favreau e Downey di ispirare Tony Stark a J. Robert Oppenheimer, diventato depresso dopo aver contribuito al Progetto Manhattan.
Una versione iniziale della trama prevedeva che Justin Hammer creasse più villain oltre a Whiplash, incluso Ghost, idea poi scartata; Ghost sarebbe apparso nel MCU solo anni dopo in Ant-Man and the Wasp.
Terrence Howard fu sostituito da Don Cheadle nel ruolo di James Rhodes; secondo Entertainment Weekly, Favreau non si divertiva a lavorare con Howard e la Marvel cercò di ridurgli lo stipendio nonostante fosse stato il primo attore ingaggiato per il film originale.
Don Cheadle ebbe solo poche ore per accettare il ruolo di Rhodes senza sapere quale trama avrebbe seguito il personaggio, e ha raccontato che pensava che Iron Man fosse un robot prima di vedere il primo film.
Sam Rockwell fu inizialmente considerato per il ruolo di Tony Stark nel primo film, e accettò la parte di Justin Hammer senza aver letto la sceneggiatura, non avendo mai sentito parlare del personaggio prima.
Scarlett Johansson si tinse i capelli di rosso prima ancora di ottenere la parte, nella speranza di convincere Favreau che fosse perfetta per il ruolo di Black Widow.
Prima di Scarlett Johansson, Marvel aveva avviato trattative con Emily Blunt per il ruolo di Black Widow, ma l'attrice non poté accettare per un impegno precedente con Gulliver's Travels.
Mickey Rourke visitò la prigione di Butyrka in Russia per prepararsi al ruolo di Ivan Vanko, suggerì che metà dei suoi dialoghi fossero in russo e pagò di tasca propria per i tatuaggi, i denti d'oro e il cacatua del suo personaggio.
Uno dei tatuaggi di Mickey Rourke portava scritto 'Loki', il nome di uno dei suoi cani morti prima delle riprese, e Kevin Feige richiese che fosse rimosso digitalmente per non creare confusione con il personaggio Loki che sarebbe apparso in Thor.
Samuel L. Jackson firmò un contratto per interpretare Nick Fury in fino a nove film, dopo che una precedente trattativa era fallita per dispute contrattuali.
Il titolo di lavorazione del film durante le riprese principali era 'Rasputin'.
Il permesso di filmare a Monaco prima del Gran Premio di Monaco 2009 fu inizialmente concesso ma poi ritirato da Bernie Ecclestone, quindi la sequenza fu girata nel parcheggio dei Downey Studios con le auto da corsa aggiunte digitalmente.
Per costruire lo schermo verde della Stark Expo alla Sepulveda Dam furono impilati centinaia di container, ricoperti di compensato e intonaco e poi dipinti di verde.
Robert Downey Jr. improvvisò molto sul set, il che costrinse lo sceneggiatore Justin Theroux a un intenso lavoro di 'ginnastica di scrittura' per creare una narrazione coerente, tanto da causargli problemi alla schiena per lo stress.
La scena post-credits con il martello di Thor fu girata sul set di Thor con obiettivi anamorfici per abbinarsi a quel film, ed è stata diretta da Kenneth Branagh, il regista di Thor.
A differenza del primo film, che mescolava effetti digitali e pratici, il sequel si basò principalmente sulla CGI per creare le armature di Iron Man; furono realizzate delle 'football suits' pratiche solo dal torso in su, mentre il resto fu creato digitalmente.
Il personaggio del senatore Stern, interpretato da Garry Shandling, fu nominato in omaggio al conduttore radiofonico Howard Stern.
Nel 2017 il regista Jon Watts suggerì retroattivamente che il bambino con la maschera di Iron Man salvato da Stark durante l'attacco dei droni (interpretato dal figlio di Favreau) fosse un giovane Peter Parker, idea approvata sia da Kevin Feige che dall'attore Tom Holland.
Solo due canzoni presenti nella colonna sonora ufficiale pubblicata compaiono effettivamente nel film, mentre altre canzoni di artisti come The Clash, Queen, Daft Punk, 2Pac e Beastie Boys sono nel film ma non nell'album.
Il film è dedicato alla memoria del DJ Adam Goldstein (DJ AM), che appare nel film nel ruolo di se stesso e morì poco prima dell'uscita della pellicola.
L'incasso del weekend d'apertura negli Stati Uniti fu il quinto più alto di sempre all'epoca, dietro a The Dark Knight, Spider-Man 3, The Twilight Saga: New Moon e Pirates of the Caribbean: Dead Man's Chest.
