David Benioff ha inseguito il progetto per quasi tre anni prima di essere assunto per scrivere la sceneggiatura nell'ottobre 2004, rileggendo la storia 'Weapon X' di Barry Windsor-Smith e la miniserie del 1982 di Chris Claremont e Frank Miller come fonti d'ispirazione.

Benioff aveva concepito la storia con un tono 'più oscuro e brutale', pensando a un rating R, anche se sapeva che la decisione finale sul tono sarebbe spettata a produttori e regista.

Deadpool era stato sviluppato per un film a sé da Ryan Reynolds e David S. Goyer alla New Line Cinema nel 2003, ma il progetto naufragò; Benioff inserì poi il personaggio nella sceneggiatura di Wolverine.

Prima di Gavin Hood, i registi Bryan Singer e Brett Ratner erano interessati a tornare sul franchise, mentre anche Alexandre Aja e Len Wiseman ambivano alla regia; Zack Snyder rifiutò l'incarico perché impegnato con Watchmen.

Il ruolo del giovane Wolverine fu inizialmente affidato a Kodi Smit-McPhee, che però lo abbandonò per girare The Road; fu poi scelto Troye Sivan dopo che i casting director lo videro cantare al Channel Seven Perth Telethon.

Liev Schreiber mise su 18 kg di muscoli per interpretare Victor Creed, definendolo il ruolo più mostruoso mai interpretato, mentre Tyler Mane, che aveva interpretato Sabretooth in X-Men, sperava di riprendere il personaggio.

Brian Cox, che aveva interpretato Stryker in X2, voleva riprendere il ruolo pensando di poter apparire più giovane grazie alla CGI usata per ringiovanire Patrick Stewart e Ian McKellen in X-Men: Il conto alla rovescia, ma la parte andò a Danny Huston.

Will.i.am, al suo debutto importante in un film live-action, si scorticò le nocche quando durante una scena di combattimento colpì e ruppe accidentalmente la telecamera; Quinton Jackson aveva rifiutato il ruolo di John Wraith prima di lui.

David Harbour fece un provino per il ruolo di Fred Dukes ma fu scartato perché ritenuto 'troppo grasso' all'epoca; il costume del personaggio, indossato da Kevin Durand, aveva un sistema di tubi interni per raffreddare l'attore con acqua ghiacciata.

Josh Holloway fu inizialmente scelto per il ruolo di Remy LeBeau/Gambit ma venne scartato perché lo studio voleva un attore più giovane di dieci anni; Chris Hemsworth fu vicino a ottenere la parte prima che fosse assegnata a Taylor Kitsch.

Michelle Monaghan rifiutò il ruolo di Kayla Silverfox per conflitti di programma nonostante l'entusiasmo di lavorare con Hugh Jackman; il ruolo andò a Lynn Collins.

Sorse una controversia quando il Queenstown Lakes District Council contestò la decisione di permettere alla produzione di conservare esplosivi in una pista di pattinaggio locale, usati poi per una scena con l'esplosione della fattoria degli Hudson, girata con 13 telecamere.

Durante le riprese in Australia la sceneggiatura era ancora incompleta: la produzione riceveva regolarmente nuove pagine da Los Angeles, a volte la notte prima delle riprese.

Sorsero forti tensioni tra il regista Gavin Hood e i dirigenti della Fox riguardo alla rappresentazione di Wolverine come veterano affetto da disturbo da stress post-traumatico; lo studio aveva già pronti due possibili sostituti prima che Richard Donner intervenisse per calmare la situazione sul set.

Gavin Hood ha rivelato che esistono più 'finali segreti' del film, diversi da copia a copia: uno mostra Logan in un bar giapponese, l'altro mostra la mano di Weapon XI che cerca di raggiungere la propria testa recisa tra le macerie.

Oltre 1.000 inquadrature del film contengono effetti visivi, realizzati da 17 diverse aziende sotto tre supervisori; alcuni artigli ossei furono generati completamente al computer perché gli oggetti di scena non risultavano convincenti nei primi piani.

Un mese prima dell'uscita nelle sale, una copia di lavoro incompleta del film trapelò online e fu scaricata circa 4,5 milioni di volte prima della release, con Fox che stimò nel 2014 almeno 15 milioni di download totali.

L'uomo che caricò per primo il file su Megaupload, Gilberto Sanchez, fu condannato a un anno di prigione federale; il giornalista Roger Friedman fu invece licenziato da Fox News per aver scritto una recensione basata sulla copia trapelata.

Si sono verificati due casi di adolescenti che si sono iniettati mercurio elementare dopo aver visto il film, credendo erroneamente che ciò avrebbe trasformato le loro ossa in metallo come l'adamantio di Wolverine.

Nel sequel Deadpool 2 (2018), una scena post-credit mostra Deadpool viaggiare indietro nel tempo per uccidere l'interpretazione di Weapon XI di questo film, usando filmati d'archivio di Hugh Jackman, come parodia delle critiche ricevute dal personaggio.