Il progetto nacque nel 2007 quando Gavin Hood, regista di X-Men Origins: Wolverine, ipotizzò un sequel ambientato in Giappone, riprendendo la storyline della miniserie a fumetti del 1982 di Chris Claremont e Frank Miller, considerata da Hugh Jackman la sua saga preferita del personaggio.

Durante le riprese di X-Men Origins: Wolverine, Jackman promise a Kevin Durand che sarebbe tornato nel sequel nei panni di Fred J. Dukes/The Blob, ora campione di sumo in Giappone, ma il piano non si concretizzò mai.

Darren Aronofsky fu inizialmente scelto per dirigere il film nel 2010, ma abbandonò il progetto nel marzo 2011 perché non voleva stare lontano dalla famiglia per quasi un anno; anche il terremoto e lo tsunami del Tōhoku del 2011 contribuirono al ritardo della produzione.

Guillermo del Toro rivelò di essere stato interessato a dirigere il film, poiché la saga giapponese era la sua storia preferita di Wolverine, ma dopo un incontro con Jackman decise di rinunciare per non impegnare due o tre anni della sua vita al progetto.

Jessica Biel era stata inizialmente scelta per interpretare Viper, ma le trattative con la Fox saltarono e il ruolo passò a Svetlana Khodchenkova.

Per prepararsi al ruolo, Hugh Jackman mangiava sei pasti al giorno e contattò Dwayne Johnson per consigli su come mettere massa, arrivando a consumare circa 6.000 calorie al giorno per sei mesi, soprattutto pollo, bistecca e riso integrale.

Le riprese iniziarono nel luglio 2012 nel New South Wales (Australia), che raddoppiò come Giappone e Canada, per poi spostarsi a Tokyo e in altre località giapponesi come Fukuyama e Tomonoura, prima di tornare in Australia per concludere le riprese a novembre 2012.

La scena post-credits con Magneto e Professor X fu girata durante reshoot a Montréal ed è stata scritta da Bryan Singer e Simon Kinberg, sceneggiatori di X-Men: Giorni di un futuro passato, come modo per reintrodurre Patrick Stewart nell'universo cinematografico.

Per la scena della bomba atomica di Nagasaki, gli effettisti della Rising Sun Pictures studiarono fenomeni naturali come i vulcani anziché filmati d'archivio di esplosioni atomiche, ricreando digitalmente l'effetto e sostituendo lo skyline di Sydney con quello di Nagasaki.

Per la scena della lotta sul treno proiettile, la troupe usò un metodo ispirato a Google Street View: un furgone con otto videocamere Red Epic a 45 gradi filmò un'autostrada sopraelevata di Tokyo a velocità costante, poi la ripresa fu accelerata per simulare i 300 km/h del treno.

Il Silver Samurai fu creato dalla Weta Digital basandosi su un modello stampato in 3D e verniciato a cromo tramite elettrolisi; l'attore Shane Rangi, su trampoli e in tuta da motion capture, interpretò fisicamente il personaggio per animare la versione digitale.

Il compositore Marco Beltrami, che aveva già lavorato con Mangold in 3:10 to Yuma, dichiarò di aver evitato di usare musica tradizionale giapponese associata semplicemente all'ambientazione, pur inserendo strumenti giapponesi in modo non convenzionale.

Il film incassò 415 milioni di dollari in tutto il mondo, diventando il sesto film della saga X-Men per incassi, con un'apertura internazionale record per il franchise di 86,5 milioni di dollari in 100 paesi.

In retrospettiva, diversi critici come Alex Wench di Inverse hanno definito The Wolverine uno dei film sui supereroi più sottovalutati, sottolineandone l'influenza sul successivo Logan (2017), diretto sempre da Mangold con Jackman.