David Benioff zabiegał o ten projekt przez blisko trzy lata, zanim w październiku 2004 roku zatrudniono go do napisania scenariusza; przygotowując się, ponownie przeczytał komiks „Weapon X” Barry'ego Windsora-Smitha oraz miniserię Chrisa Claremonta i Franka Millera z 1982 roku.
Skip Woods, autor scenariusza do „Hitmana” dla Foxa, został później zatrudniony do przepisania i poprawienia wersji Benioffa, a przed strajkiem scenarzystów w 2007 roku dodatkowo zatrudniono Jamesa Vanderbilta i Scotta Silvera do pospiesznych poprawek.
Reżyserii chcieli się podjąć m.in. Bryan Singer, Brett Ratner, Alexandre Aja i Len Wiseman, a Zack Snyder odmówił, ponieważ kręcił wtedy „Watchmen”; ostatecznie w lipcu 2007 roku reżyserem został ogłoszony Gavin Hood.
To właśnie Gavin Hood zaproponował, by domniemane pokrewieństwo krwi Wolverine'a i Sabretootha zamienić na wprost pokazane braterstwo przyrodnie, uznając że wzmocni to emocjonalną siłę filmu.
Rolę młodego Jamesa pierwotnie obsadzono Kodim Smit-McPheem, który jednak zrezygnował, by zagrać w „Drodze”; ostatecznie postać zagrał Troye Sivan, odkryty po występie wokalnym na Channel Seven Perth Telethon.
Do roli Williama Strykera negocjował Liev Schreiber, a Brian Cox, odtwórca tej postaci w „X2”, chciał ją powtórzyć, licząc na cyfrowe odmłodzenie podobne do efektu zastosowanego wobec Patricka Stewarta i Iana McKellena w „X-Men: Ostatnim bastionie”; rolę ostatecznie otrzymał Danny Huston.
Michelle Monaghan odrzuciła rolę Kayli Silverfox z powodu konfliktu terminów, mimo entuzjazmu na myśl o współpracy z Hughem Jackmanem; ostatecznie postać zagrała Lynn Collins.
David Harbour przesłuchiwał się do roli Freda Dukesa, lecz odrzucono go jako zbyt otyłego jak na tamten czas, a Kevin Durand, który ostatecznie dostał rolę, nosił kostium wymagający systemu chłodzenia lodowatą wodą.
Do roli Gambita najpierw obsadzono Josha Hollowaya, którego zastąpiono, bo studio chciało kogoś o dziesięć lat młodszego; blisko zdobycia roli był też Chris Hemsworth, ale ostatecznie zagrał ją Taylor Kitsch.
Zdjęcia rozpoczęły się w styczniu 2008 roku w Nowej Zelandii, a scenariusz wciąż nie był ukończony – ekipa w Australii regularnie dostawała nowe strony scenariusza z Los Angeles, czasem w nocy poprzedzającej kręcenie danej sceny.
Doszło do sporu między władzami Queenstown Lakes District a Departamentem Pracy o zgodę na przechowywanie materiałów wybuchowych do sceny wybuchu farmy Hudsonów w lokalnym lodowisku; ostatecznie część materiałów przeniesiono w inne miejsce, a scena wymagała użycia 13 kamer.
Między reżyserem Gavinem Hoodem a kierownictwem studia Fox dochodziło do sporów co do kierunku filmu, m.in. o ukazanie Wolverine'a jako weterana wojskowego cierpiącego na zespół stresu pourazowego; studio miało już przygotowanych dwóch zastępców reżysera, zanim producent Richard Donner poleciał do Australii, by załagodzić napięcia na planie.
Cockatoo Island posłużyła jako lokacja obiektu Strykera, a jej ogromne budynki pozwoliły zaoszczędzić pieniądze na cyfrowym powiększaniu scenografii.
W styczniu 2009 roku, po opóźnieniach spowodowanych pogodą i zobowiązaniami Hugh Jackmana, produkcja przeniosła się do Vancouver, głównie do Kitsilano Secondary School i na University of British Columbia, by dokończyć sceny z Ryanem Reynoldsem.
Ponad 1000 ujęć z Wolverinem zawiera efekty specjalne, nad którymi pracowało trzech nadzorców efektów i 17 różnych firm; w niektórych ujęciach szpony z kości były w całości generowane komputerowo, ponieważ rekwizyty źle wyglądały w zbliżeniach.
Miesiąc przed premierą, 31 marca 2009 roku, w internecie pojawiła się nieukończona wersja robocza filmu bez znaków wodnych; FBI i MPAA rozpoczęły śledztwo, a sprawcę wycieku, mieszkańca Bronksu Gilberto Sancheza, skazano na rok więzienia federalnego.
Dziennikarz Roger Friedman został zwolniony z Fox News po tym, jak napisał recenzję filmu na podstawie wyciekłej nieukończonej kopii, którą pobrał z internetu.
Scena po napisach ukazująca Logana pijącego w japońskim barze i odpowiadającego, że pije, by pamiętać, była jedną z kilku „tajnych zakończeń”, które według Gavina Hooda różniły się w zależności od kopii filmu.
Odnotowano dwa przypadki, gdy nastolatkowie wstrzyknęli sobie rtęć elementarną po obejrzeniu filmu, błędnie wierząc, że zamieni to ich kości w metal podobny do adamantium Wolverine'a.
W scenie po napisach w „Deadpool 2” z 2018 roku Deadpool cofa się w czasie do wydarzeń tego filmu, by rozprawić się z krytykowaną wersją postaci Weapon XI, co zrealizowano dzięki archiwalnym ujęciom Hugh Jackmana i dublerom.
