Precedido por Homem de Ferro (2008) e Homem de Ferro 2 (2010). O super-herói metálico também foi visto em O Incrível Hulk (2008) e Os Vingadores - The Avengers (2012).
Após o sucesso de Os Vingadores, a Marvel e a Disney aumentaram o orçamento do filme de US$ 140 milhões para US$ 200 milhões.
É o primeiro filme da Fase Dois do universo Marvel nos cinema, composto também por Thor: O Mundo Sombrio (2013), Capitão América - O Retorno do Primeiro Vingador (2014), Guardiões da Galáxia (2014), Os Vingadores 2 (2015) e Homem-Formiga (2015).
O diretor Jon Favreau, que pilotou os dois primeiros filmes, abandonou Homem de Ferro 3 em dezembro de 2010 sem definir bem a verdadeira razão. Na época, ficou claro a existencia de descontentamento com relação ao futuro do personagem e também em relação ao salário recebido. Shane Black foi contratado para comandar o longa em fevereiro de 2011.
Apesar da saída da direção, Favreau aparece no filme interpretando mais uma vez o personagem Happy Hogan.
Homem de Ferro 3 marca a segunda vez em que o diretor e o ator Robert Downey Jr. trabalharão juntos. A outra foi em Beijos e Tiros (2005).
Gemma Arterton, Diane Kruger e Isla Fisher chegaram a ser sondadas para interpretar a personagem Maya Hansen.
Jessica Chastain chegou a ser anunciada para o papel, mas posteriormente teve que desistir devido a conflitos de agenda. A personagem acabou ficando com Rebecca Hall.
Jude Law esteve na disputa para interpretar o vilão Aldrich Killian, que ficou com Guy Pearce.
Trata-se do primeiro filme estrelado pelo Homem de Ferro em que o personagem Nick Fury, interpretado por Samuel L. Jackson, não está presente.
Nos quadrinhos, o Patriota de Ferro é um pseudônimo usado pelo Duende Verde, um dos vilões do Homem-Aranha. Já no filme trata-se de uma versão da armadura do Homem de Ferro fabricada pelo governo dos Estados Unidos.
Segundo o produtor Kevin Feige, o vilão Mandarim foi inspirado no coronel Kurtz, personagem interpretado por Marlon Brando em Apocalypse Now.
Em março de 2011, o experiente produtor e roteirista de televisão Drew Pearce, do seriado inglês No Heroics, foi contratado para escrever Homem de Ferro 3, mesmo sem ter experiência no cinema.
A intenção original da Marvel e da Disney era que as filmagens ocorressem em Michigan, devido aos incentivos fiscais oferecidos pelo governo local. Entretanto, como o governo da Carolina do Norte ofereceu uma taxa de crédito de US$ 20 milhões, o longa-metragem foi rodado neste estado.
No primeiro dia em que Robert Downey Jr. e Ben Kingsley se encontraram nos sets de filmagens eles tiraram uma foto juntos e a enviaram ao diretor e ator Richard Attenborough, amigo de ambos.
As filmagens tiveram que ser interrompidas momentaneamente em 15 de agosto de 2012, já que Robert Downey Jr. havia machucado o tornozelo ao gravar uma cena do filme.
As empresas responsáveis pelos efeitos especiais de Homem de Ferro 3 foram a Digital Domain e a Weta Digital. Nos filmes anteriores da série quem cuidou dos efeitos especiais foi a Industrial Light & Magic.
A Walt Disney Pictures pagou US$ 115 milhões pelos direitos de distribuição de Os Vingadores (2012) junto à Paramount Pictures. Entretanto, o contrato exige que em Homem de Ferro 3, assim como aconteceu com Os Vingadores, a logomarca vista em cena seja a da Paramount. A Disney apenas pode ser citada ao término dos créditos finais, com os dizeres "Distributed by Walt Disney Studios Motion Pictures".
Com 130 minutos de duração, é o filme mais longo da série estrelada pelo Homem de Ferro.