Президент компании Marvel Studios Кевин Фейдж оказался доволен результатами фильма «Железный Человек 2» и после окончания проката пообещал, что третья часть увидит свет в 2013 году: «Мы заключили контракт на съёмки с Робертом Дауни-младшим, и сделаем кинцо после „Мстителей». Режиссёр предыдущих двух фильмов Джон Фарво рассказал, что возможным злодеем в третьем фильме станет Мандарин, но добавил, что в этом случае его образ будет пересмотрен и будет отличаться от комиксного, поскольку на экране не просто показать десять магических колец.

После выхода «Железного человека 2» и конфликта со студией Paramount Pictures, которая ранее приобрела права на дистрибьюцию нескольких картин, но после приобретения Marvel компанией Walt Disney все последующие фильмы должны выходить под их эгидой. Это привело к тому, что подготовка к производству третьего фильма застопорилась. Однако, 18 октября 2010 года Walt Disney и Paramount пришли к консенсусу, и Walt Disney заплатили студии $115 млн за права на распространение грядущих «Мстителей» и готовящегося «Железного человека 3». Осенью 2010 Disney объявили дату релиза картины — 3 мая 2013 года; в то же время Джон Фавро рассказал, что отказался от режиссёрского кресла третьей части, предпочтя заняться фильмом «Magic Kingdom». Он остался в качестве исполнительного продюсера «Мстителей», режиссёром которого выступил Джосс Уидон. Режиссёром «Железного человека 3» стал Шейн Блек, ранее известный своей работой над чёрной комедией «Поцелуй Навылет», где одну из главных ролей сыграл Дауни-младший. В качестве сценариста выступит Дрю Пирс.

В актёрский состав вошли Роберт Дауни-младший, который сыграл Тони Старка во всех предыдущих фильмах кинематографической вселенной Marvel; роль Джеймса Роудса снова сыграет Дон Чидл. Переговоры о появлении в фильме ведёт актёр Кларк Грегг, который ранее играл роль Фила Колсона. На роль одного из злодеев претендует Бен Кингсли, а на роль Олдрича Киллиана —  Гай Пирс.