Na stanowisku producenta pozostali Lauren Shuler Donner i Ralph Winter.
Casting W sierpniu 2000 roku Tyler Mane stwierdził w wywiadzie, że powróci jako Sabretooth. Ostatecznie jego postać nie została uwzględniona w scenariuszu sequela. W listopadzie tego samego roku ujawniono, że Patrick Stewart i Ian McKellen podpisali kontrakty na udział w trzech filmach. W maju 2002 roku do obsady dołączyli Alan Cumming jako Nightcrawler i Aaron Stanford jako Pyro, a miesiąc później Kelly Hu. W tym czasie poinformowano też, że swoje role powtórzą: Stewart, McKellen, Hugh Jackman, Halle Berry, Famke Janssen, Anna Paquin i James Marsden.
W lipcu ujawniono, że powrócą Bruce Davison jako Robert Kelly i Shawn Ashmore jako Iceman. W tym samym miesiącu do obsady dołączyli: Daniel Cudmore jako Colossus, Katie Stuart jako Kitty Pryde, Shauna Kain jako Siryn i Kea Wong jako Jubilee. W sierpniu poinformowano, że Brian Cox zagra Williama Strykera.
Zdjęcia i postprodukcja Zdjęcia do filmu rozpoczęły się 17 czerwca, a zakończyły się pod koniec listopada 2002 roku. Film był kręcony w Vancouver w Kanadzie. Za zdjęcia odpowiadał Newton Thomas Sigel, scenografią zajął się Guy Hendrix Dyas, a kostiumy zaprojektowała Louise Mingenbach.