En un principio Matthew Vaughn iba a volver a dirigir la película, pero rechazó volver al proyecto. Finalmente Bryan Singer, que fue el director y productor de las dos primeras películas de X-Men, ha sido contratado para dirigir la cinta.
La película está influenciada por los cómics de "Days of Future Past" (1981) y "All-New X-Men" (2012), ambos implican el viaje de tiempo de mutantes para intentar cambiar la historia.
La historia de X-Men: Días del futuro pasado, fue seleccionada en cierta medida, porque permitía a los realizadores conciliar la disonancia que había entre la continuidad de X-Men: Pimera generación y la serie original de las películas X-Men. El viaje en el tiempo permitió que actores de la serie original pudiesen interpretar a sus personajes de nuevo, y se solucionasen ciertos elementos en la continuidad que no quedaban claros, además se establece una nueva línea de tiempo para continuar con la secuela.
Patrick Stewart e Ian McKellen estaban promocionando la obra de teatro "Waiting for Godot" cuando Byran Singer contactó con ellos y les propuso retomar sus papeles como Profesor X y Magneto. McKellen ha declarado que ambos se quedaron asombrados, porque creían que los papeles habían pasado a James McAvoy y Michael Fassbender y ellos no volverían a interpretar a sus personajes. Ambos estaban encantados de retomar sus papeles más conocidos, y de trabajar con actores más jóvenes que interpretan al mismo personaje.
Cuando Matthew Vaughn iba a dirigir la película, iba a hacer la película como una secuela directa de X-Men: Primera generación y situarla en la década de 1970. Las primeras ideas incluían un empiece con el asesinato de Kennedy a manos de Magneto, y un encuentro con mutantes establecidos en el movimiento por los derechos civiles en la Guerra de Vietnam.
Según Bryan Singer, tuvo una discusión de dos horas con James Cameron, sobre cómo hacer creíble el concepto de viaje en el tiempo dentro de la película.
Alan Cumming no quiso retomar su papel como Nightcrawler en X-Men 2, debido a las exigencias de maquillaje que necesitaba para caracterizar a su personaje.
Es la tercera película de la serie de X-Men que se basa en la historia de los cómics de Chris Claremont.
Hay informaciones que apuntan a que los actores Jason Flemyng (Azazel), January Jones (Emma Frost), Alex González (Riptide) y Zoe Kravitz (Angel Salvadore) no retomarán sus papeles en esta película.