Bryan Singer, Regisseur der beiden vorherigen Verfilmungen, konnte für X-Men: Der letzte Widerstand nicht wieder verpflichtet werden, da er die Regiearbeit am Film Superman Returns übernahm. Aus dem gleichen Grund hatte auch James Marsden (Cyclops) im dritten Teil nur einen Kurzauftritt. Als Singers Nachfolger wurde Matthew Vaughn (Snatch – Schweine und Diamanten) angeworben, der auch für einige Zeit an dem Projekt arbeitete, es schließlich aber noch vor Drehbeginn wieder verließ. So wurde Brett Ratner (Rush Hour) mit der etwa 210 Mio. US-Dollar teuren Produktion beauftragt. Die Dreharbeiten zu X-Men: Der letzte Widerstand starteten im August 2005 und dauerten bis zum Dezember desselben Jahres. Sie beinhalteten unter anderem den Bau eines gewaltigen Modells der Golden Gate Bridge. Auch hatte Angel-Darsteller Ben Foster Probleme mit den künstlichen Flügeln, die er in fast allen Szenen tragen musste; sie erwiesen sich als zu schwer und mussten zu einem komplett neuen, leichteren Modell umgearbeitet werden. Halle Berry hatte nach dem Drehende von X-Men 2 angekündigt, nicht an einer weiteren X-Men-Verfilmung mitarbeiten zu wollen. Als Grund gab sie persönliche Probleme mit Regisseur Bryan Singer an. Außerdem bemängelte sie, dass der Charakter Storm sich nicht weiterentwickelte, und wollte sich auf die Hauptrolle in Catwoman konzentrieren. Als dieser Film dann jedoch katastrophal floppte und Singer sich von X-Men 3 abwandte, schloss sich Berry dem Projekt wieder an, allerdings unter der Voraussetzung, dass Storm eine größere Rolle spielte. Am 16. Mai 2006 wurde von Activision ein Videospiel zum Film veröffentlicht, welches die Geschehnisse zwischen dem zweiten und dritten Teil behandelt.