『ウルヴァリン:SAMURAI』の撮影は2012年7月末にオーストラリアでスタートし、2012年の8月下旬から9月にかけて日本ロケが行われた。そのうち最も大規模だったのは、東京都港区の増上寺を借り切った矢志田市朗の葬儀シーンだ。ヒュー・ジャックマン、真田広之、TAO、福島リラらの主要キャストに加え、スタッフとエキストラ合わせて約400人が参加。猛暑の中、大殿前でローガンらの参列シーンやある組織の襲撃を受けるアクション・シーンが撮影された。さらに東京では新宿駅、秋葉原のパチンコ店、上野駅がローガンとマリコの逃走シーンのロケ地となった。
東京での撮影を終えた一行は、広島県福山市に移動。『崖の上のポニョ』のモデルにもなった鞆の浦に滞在し、ローガンとマリコが隠れ家にやってくるシーン、つかの間の安らぎを得たふたりが海辺を散策するシーンなどが撮影された。ジャックマンはよほど鞆の浦の土地柄が気に入ったのか、現地でのロケ情報を写真付きでツイッターにアップ。撮影終了後には、ロケを聞きつけて集まった大勢のファンからのサイン攻めにも気さくに応じていた。
8月28日
新宿駅で日本ロケスタート

新宿駅西口地下通路にて、日本ロケがスタートする。
雑踏の中、ローガンが人波をかき分け、マリコを追いかけるシーンが臨場感たっぷりにカメラに収められた。



8月29日〜9月2日
東京都港区の増上寺

猛暑の中、増上寺全体を借り切り、スタッフ、エキストラ合わせて400人の大規模なロケを敢行。
矢志田市朗の葬儀の最中にローガン、シンゲン、マリコ、ユキオがある組織の襲撃を受けるシーンのアクション撮影が、物々しい緊張感とともに進められていった。



9月3日
秋葉原、上野駅

秋葉原万世橋とパチンコ店ビッグアップル秋葉原店をロケ地にしたローガンとマリコの逃走シーン。また、上野駅ペデストリアンデッキでも撮影が行われた。
9月4日
広島県福山市

福山駅前でローガン、マリコのシーンを撮影。


9月5日
広島県福山市鞆町の鞆港

「崖の上のポニョ」のモデルになった鞆の浦が、ローガンとマリコが別荘に向かうシーンの背景に。


9月6日、7日
愛媛県今治市大三島町

ローガンとマリコが町を散歩するシーン。ローガンの過去の記憶が蘇る場面もこの町で撮られた。


9月10日、11日
広島県福山市鞆町

鞆の浦の圓福寺で、マリコの別荘のシーンなどが撮影される。