במאי שני הסרטים הקודמים בסדרה, ג'ון פאברו, הודיע בדצמבר 2010 כי לא ישוב למלאכת הבימוי. הוא נותר מפיק בפועל לסרט הנוקמים של ג'וס וידון וכן לסרט איירון מן השלישי. בפברואר 2011, הבמאי שיין בלאק נבחר להחליפו ולכתוב את התסריט, אותו חלק עם התסריטאי דרו פירס. דאוני, שכיכב בסרטו הקודם של בלאק "קיס קיס בנג בנג" אמר ש"הבאתו של שיין בלאק לכתוב ולביים את 'איירון מן 3' הוא בשבילי המעבר היחידי מפאברו ל"דבר הבא" אליו פאברו, הקהל, מארוול ואני חתמנו".
פרה-פרודקשן.
אולפני מארוול הגיעו להסכם בספטמבר 2011 לצלם את הסרט באולפני סקרין ג'מס שבוילמינגטון, קרוליינה הצפונית. נשקל לצלם את הסרט גם במישיגן, אולם משרדי ההסרטה במישיגן לא יכלו לעמוד בעלויות המס. באפריל 2012, בן קינגסלי החל במשא ומתן לגלם דמות נבל בסרט. המפיק ונשיא אולפני מארוול קווין פייגי ציין ש"מדובר בסרט שמתמקד בדמותו של סטארק, ובמידה רבה מקבל השראה ממחציתו הראשונה של הסרט הראשון. הוא הופשט מכל מה שיש לו, גבו ניצב אל הקיר, והוא חייב להשתמש באינטליגנציה שלו כדי לצאת מזה. הוא לא יכול לקרוא לתור, לקפטן או לניק פיורי, ואין כל נושאת מטוסים מרחפת של סוכנות S.H.I.E.L.D בשמיים". מספר ימים לאחר מכן, אולפני וולט דיסני בסין יצאו בהצהרה עם אולפני מארוול להפקה משותפת של הסרט בסין.
שבוע לאחר מכן, גאי פירס היה בשלבי משא ומתן אחרונים לגלם את דמותו של אלדריץ' קיליאן, דמות שהופיעה בסיפור הקומיקס "". ג'סיקה צ'סטיין החלה במגעים לתפקיד בסרט, אך הוחלפה בידי רבקה הול בשל בעיות בלוח זמנים. תפקידה תואר כ"מדענית שמשחקת תפקיד מרכזי ביצירת הננוטכנולוגיה שידועה כאקסטרמיס". במהלך השבועות הבאים לוהקו ג'יימס באדג' דייל, סטפני שוסטאק, אשלי המילטון וויליאם סאדלר לתפקידי משנה. ג'ון פאברו שב לגלם את דמותו של הארולד הוגאן משני הסרטים הקודמים. למרות שמועות לגבי הופעתה של קובי סמולדרס כסוכנת S.H.I.E.L.D מריה היל, השחקנית הודיעה בחשבון הטוויטר שלה כי אין זה נכון.
כתיבה.
שיין בלאק תיאר את גרסתו לסרט בתור "יותר מותחן של טום קלנסי, שבו איירון מן נלחם בנבלי העולם האמיתי, מאשר שני אנשים שנלחמים זה בזה בחליפות איירון מן". התסריטאי דרו פירס הוסיף וציין שהם נמנעים משימוש בקסם ובחלל, ומדובר יותר במותחן טכנולוגי שמבוסס בעולם מציאותי יותר מזה שבסרט "הנוקמים". תוך כדי תהליך הכתיבה, ההתמקדות הייתה פחות על אקספוזיציה ויותר על דחיפת הסיפור קדימה, כשכל רגע מוביל לרגע שלאחריו. מספר אלמנטים מהקומיקס שימשו, אם כי בהקשרים שונים, כמו למשל חליפת איירון פטריוט של רודס, שבקומיקס עטה אותה נורמן אוסבורן במהלך עלילת שלטון אפל. כמו כן, מספר דמויות נקראו בסרט על שם דמויות קומיקס שאינן קשורות אחת לשנייה, כמו אריק סאבין וג'ק טאגרט.
עלילת הסרט מושפעת מסיפורו של וורן אליס משנים 2005–2006, "". שתי המערכות הראשונות נותרו ממוקדות על הדמויות, אם כי לדבריו של בלאק היו "יותר קדחתניות ומטורפות" כדי לעמוד במחויבות של סרט המשך; המערכה השלישית הלכה רחוק יותר מבחינת סצינות הפעולה והענקתה של תחושה אופראית. המערכה האמצעית הושוותה למסעות סאליבן, בכך שטוני פגש אנשים שונים במהלך מסעו, והכותבים וידאו שהדמויות לא תהיינה דומות אחת לשנייה. בטיוטה המקורית, מיה הנסן עצמה לקחה את תפקיד הנבל, כאשר המנדרין וקיליאן הופיעו כאנטגוניסטים בשלבים מאוחרים יותר של התסריט. בשלב מסוים, פירס הציע שהמנדרין יהיה דמות מבוימת. בלאק הסכים לכך והפך אותו לדמותו של שחקן, ופירס בתורו הפך אותו לשחקן במה בריטי בעל הופעה מוגזמת. על שינוי זה, בלאק ציין כי "מי יהיה טיפש מדי כדי להכריז שמדובר בטרוריסט בינלאומי? אם אתה חכם, ללא קשר למשטר שאתה מהווה חלק ממנו, אתה תשים ממשלת בובות ותשב מאחורי הקלעים". ואכן, קיליאן החביא את סלאטרי השחקן בבית אחווה, בסוג של מעצר בית, כדי לשמור על סודו.
גם פתיחת הסרט וגם סופו שוכתבו מחדש. לפי הרעיון המקורי, הסרט יתחיל בפלאשבק לימי ילדותו של טוני, ולאחר מכן כמו בסרט הראשון הוא יתחיל ישר ולעניין כשטוני מתרסק בטנסי בשילוב קריינות המסבירה כיצד הוא הגיע לשם. עבור הקרב הסופי שעל מכלית הנפט, נשקל להחזיר את דמותה של בראנדט במיטב המסורת של נבלי ג'יימס בונד כדי לרדוף אחרי הגיבורים, אך בסוף הרגו את דמותו של קיליאן והשתמשו בדמותה של פפר פוטס כדי להביא למפלתו בדרך של צדק פואטי, לאחר שהתעלל בה. שורת הדיאלוג האחרונה בסרט אמורה הייתה להיות "אני הוא טוני סטארק", אך בסופו של דבר היא השתנתה ל"אני הוא איירון מן" כמו בסרט הראשון כדי להעצים את האיכויות המיתיות של הדמות.
צילומים.
הצילומים החלו ב-23 במאי 2012 באולפני סקרין ג'מס שבוילמינגטון, קרוליינה הצפונית, כאשר נבחרו גם אתרי צילום כמו נמל התעופה הבינלאומי של וילמינגטון ונמל וילמינגטון לצורך צילומי הקרב הסופי על סיפון מכלית הנפט. הבניין הקורס נבנה על פלטפורמה הידראולית אשר נחצתה לשניים. צילומי הפנים נעשו בעזרת אפקטים שמישים כמו חורבות ופיצוצים, בעוד נעשה שימוש בגרפיקת תלת ממד רק על תפאורה חיצונית וחליפות השריון של איירון מן. הצלם האמנותי ג'ון טול בחר לראשונה בקריירה שלו לעבוד עם מצלמות דיגיטליות ומצא שהן קלות יותר לתפעול מאשר ציוד ההפקה הכבד. בתחילת יוני נערכו צילומים בחברת המשחקים "אפיק גיימז".
מ-19 ביולי ועד 1 באוגוסט 2012 נערכו צילומים באואק איילנד לצורך צילומים אוויריים מעל האוקיינוס האטלנטי, בסצנה שבה איירון מן מציל את האנשים שנופלים ממטוס אייר פורס 1. בתחילה, צוות ההפקה חשב להשתמש באפקטים חזותיים של מסך ירוק, אולם התוכנית השתנתה והכלילה צנחני צניחה חופשית, מכיוון שבמאי יחידת הצילום השנייה הכיר את קבוצת הצניחה "רד בול". אפקטים חזותיים נוספו רק לצורך הוספתם של עננים, של שרידי המטוס ושל קו החוף של פלורידה, ושילוב דיגיטלי של הצנחנים כולם. ב-12 באוגוסט נערכו צילומים בעיירה רוז היל שבקרוליינה הצפונית, ושם העיירה נכלל בתסריט בתור העיירה שסטארק מבקר בה כשהוא מגיע לטנסי. ב-15 באוגוסט הופסק תהליך הצילומים לאחר שדאוני ג'וניור נפצע בזרועו, ובמהלך ההפסקה בוצעו מספר שינויים נוספים לתסריט עד לחידוש הצילומים ב-24 באוגוסט.
צוות ההפקה והשחקנים הגיעו ב-1 באוקטובר לצילומים בחוף דניה, פלורידה, ודאוני ג'וניור שב לסט הצילומים לאחר שהחלים מפציעתו. בתחילת אוקטובר, מספר סצינות צולמו בתעתיק של מסעדת מליבו, במוזיאון ויסקאיה ובכפר הנופש בחוף מיאמי. תהליך הצילומים בתוך ארצות הברית הסתיים בווילמינגטון ב-7 בנובמבר.
ב-10 בדצמבר החלו צילומי חוץ בבייג'ינג, סין, כאשר צוות השחקנים הראשי לא נכלל בסט הצילומים. בינואר 2013 נודע כי שיין בלאק עורך חיפוש לאתרי צילום בהיידראבאד ובנגלור שבהודו. כמו כן, דון צ'ידל אישר שנערכים צילומים גם בחוף מנהטן. חלק נכבד מתוכן הסרט אודות המנדרין דרש צילומים מחדש, מאחר שדרו פירס הרגיש שהדמות לא הרגישה אמיתית מספיק ושהיא שייכת לעולם האמיתי, בעיקר משום שהמנדרין הביט בעולם דרך עדשות מצלמה.
פוסט-פרודקשן.
כריס טאונסנד שימש כמפקח על האפקטים החזותיים, שכללו מעל לאלפיים שוטים ועליהם עבדו כ-17 חברות אפקטים מיוחדים. טאונסנד ציין שמינואר ועד אפריל 2013 היה לכל הצוות יום חופשי אחד בלבד, מכיוון שעבדו 14 עד 18 שעות ביום במשך שבעה ימים בשבוע.
חברות האפקטים דיגיטל דומיין, סקאנליין וי.אף. אקס וטריקסטר עבדו כל אחת על אפקטים של חליפת השריון הנסיונית סימן 42, תוך עבודה עם מספר מודלים תלת ממדיים ותוך שיתוף פעולה מלא כדי להבטיח עקביות בין השוטים עצמם. עבור חליפות השריון סימן 42 ואיירון פטריוט, חברת לגאסי אפקטס יצרה חליפות חלקיות שהולבשו על סט הצילומים. האמנים חקרו את השפעות הריקבון של פירות וירקות באמצעות צילומי זמנים משתנים, וכן תופעות טבע כמו זוהר הקוטב כרפרנס לתהליך אקסטרמיס.
מוזיקה.
באוקטובר 2012 נשכר בריאן טיילר להלחנת פסקול הסרט, אשר לדברי טיילר כלל נעימות תמתיות, בשונה מפסקולים אחרים שלו כדוגמת סרטי מהיר ועצבני. כדי להעניק מרכיב תמתי בעל מלודיה חזקה, הפסקול מכיל בעיקר מוזיקת תזמורת. הנעימה המרכזית של הסרט מכילה גם כלי נשיפה וגם חצוצרות כדי להשרות הן אווירת מארש והן אווירה של המנון. טיילר ציין שפסקול "שודדי התיבה האבודה" של ג'ון ויליאמס היה הדבר הראשון עליו חשב כהשראה, והמוזיקה של באר הנשמות סיפקה השראה למוטיב אקסטרמיס. טיילר הרגיש שהנעימה הדגישה את הצד הרוחני שבקיומה של "טכנולוגיה כה מתקדמת עד שהיא קרובה ליכולת קסם". כדי לשקף את אישיותו המעורבת של המנדרין, הנעימה שלו הייתה מוזיקה דתית שמשאילה מתרבויות שונות, החל ממזמורי מנזר ונצרות וכן מוזיקה גותית וכלה במוזיקה ים תיכונית.
הפסקול הולחן בעזרת התזמורת הפילהרמונית של לונדון באולפני אבי רוד. יחד עם אלבום הפסקול של טיילר, חברת התקליטים הוליווד רקורדס הוציאה לאור אלבום קונספט בהשראת הסרט, הכולל שירי רוק אלטרנטיבי ואינדי רוק.
הכנסות וביקורות.
עם יציאתו בארצות הברית, הסרט גרף מעל 175 מיליון דולר בשבוע הראשון להקרנתו, מה שהופך אותו לסרט השלישי בגודלו עם הפתיחה הטובה ביותר בכל הזמנים אחרי "הנוקמים" ו"הפנתר השחור". נכון לסוף מאי 2013, כשלושה שבועות בלבד לאחר יציאתו לאקרנים, הסרט עבר את רף המיליארד דולר. הוא סרט גיבורי-העל החמישי בסכום הכנסותיו, מיד אחרי "", "הנוקמים", "" ו"הפנתר השחור", ובמקום ה-16 ברשימת שוברי הקופות של כל הזמנים.