08年10月，小劳勃·道尼与漫威签订一份四部电影的合约，包括此前的第一部电影《钢铁人》，唐·钱德尔取代泰伦斯·霍华德出演詹姆斯·罗德。山缪·杰克森签约由首出的片末起计，在9部电影中饰演尼克·福瑞，史嘉蕾·乔韩森则选为饰演在多部电影中出场的黑寡妇。电影的主体拍摄于2009年4月6日在加利福尼亚州帕萨迪纳的帕萨迪纳共济会教堂（Pasadena Masonic Temple）开机。大部分的拍摄工作都在加州曼哈顿海滩的罗利影城（Raleigh Studios）中取景，其他的取景地点包括在摩纳哥、爱德华兹空军基地和。