Это первый фильм серии, чьим режиссером не стал Джон Фавро, который также отказался заниматься фильмами «Волшебное королевство» и «Парни из Джерси». Он признался, что получил даже больше удовольствия от игры роли Хогана в третьей части «Железного человека», не занимаясь при этом режиссурой фильма. Как он выразился, он был как «гордый дедушка, который может играть с ребенком, но при этом ему не придется менять подгузники».
Одна из сцен была снята в помещении компании Epic Games. Этот разработчик видеоигр известен своей франшизой Gears of War.
В комиксах псевдоним Железный Патриот принадлежал противнику Человека-паука, Зеленому Гоблину. В этом фильме это новый набор брони Железного Человека, на которую нанесена расцветка Капитана Америка. Продюсер Кевин Файги сказал: «Это «Мстители» спасли всех, а не правительство, которое чувствует, что ему нужен свой собственный герой. Это дало нам больший простор, чтобы поработать над персонажем Роуди, показать, как он разрывается между лояльностью к своему другу и своими должностными обязанностями».
Шейн Блэк описал фильм как «триллер Тома Клэнси» с акцентом на реальных злодеях, а не на «двух мужчинах в железных костюмах, сражающихся друг с другом».
Кевин Файги описал этот фильм так: «Фильм полностью сконцентрирован на Тони Старке. Его лишили всего, и ему придется использовать свой интеллект, чтобы найти выход из этого положения. Он не может позвать Тора, Капитана Америка или Ника Фьюри». Роберт Дауни-мл. описал своего персонажа как находящегося под влиянием мира после событий фильма «Мстители» (2012).
Энди Лау предлагали роль Радиоактивного Человека, но он отказался в связи с рождением своего первого ребенка. Затем Чэнь Даомин и Ву Сюбовере (Wu Xiubowere) рассматривались на эту роль, но в итоге она досталась Сюэци Вану.
Роберт Дауни-мл. ранее снимался в фильме Шейна Блэка «Поцелуй навылет» (2005) и положительно отзывался о том, что он пришел на смену Джону Фавро, сказав, что «привлечение в проект Блэка на роль сценариста и режиссера было единственным возможным вариантом, на который Фавро, студия Marvel и я могли подписаться».
Это первый раз, когда Сэмюэл Л. Джексон не появляется в фильме о Железном Человеке как Ник Фьюри.
Фильм снят отчасти по комиксам серии Extremis Уоррена Эллиса и Sentient Armor Джо Куэсады, а также по оригинальной истории о противнике Железного Человека, Мандарине.
В отличие от первых двух фильмов серии, в этом компания Industrial Light and Magic уже не работала над видеоэффектами. Вместо нее этим занимались Digital Domain и Weta Digital.
По словам Кевина Файги, персонаж Мандарина был создан по образу полковника Курца из фильма «Апокалипсис сегодня» (1979). «Он представляет такой род террористов, которые работали на разведывательное ведомство и сходили с ума, становясь одержимыми военными тактиками».
A. I. M. («Передовые идеи механики») — это научная организация, возглавляемая Олдричем Киллианом. В комиксах это была более простая организация злых ученых-террористов.
Съемки фильма начались 25 мая 2012 в Уилмингтоне, Северная Каролина. Павильонные съемки прошли на студии Sony Screen Gems Studios. Среди других съемочных локаций: Роули, Северная Каролина и Майами, Флорида.
Художник по реквизиту Рассел Боббит, который уже работал над предыдущими частями франшизы «Железный человек», вновь присоединился к проекту. Его любимый реквизит — 10 колец Мандарина. Он много общался с ювелирными мастерскими, и в результате удалось разработать 10 уникальных колец с разными камнями, выполненных по индивидуальному рисунку. Весь процесс создания украшений занял несколько месяцев.
Поп-арт художник Баск из Флориды был нанят специально для создания картин из офиса и спальни Мандарина. Картины должны были отражать сущность злодея. Несмотря на то, что Баск работает в жанре поп-арт, его работы для фильма были вдохновлены комиксами, граффити и панк-рок эстетикой.
Разрушение особняка Старка снималось в водяном баке на студии EUE/Screen Gems Studios.
Декорации знаменитого особняка Старка были отстроены за 16 недель в Уилмингтоне, Новая Каролина. Вся конструкция была построена на шарнирной платформе, позволяющей наклонять здание под углом 45 градусов, что расширило возможности для съемок сцены атаки на дом.
В фильме есть сцена, где 13 человек выпадают из самолета и Железный человек пытается спасти их всех, несмотря на то, что костюм позволяет удержать лишь четверых. При участии профессиональной команды скайдайверов Red Bull, тщательнейшим образом спланированные и выверенные до секунды прыжки осуществлялись в течение 10 дней, всего же в съемках сцены приняли участие 630 парашютистов.
В первоначальном варианте сценария Хэппи Хоган должен был погибнуть.