Terminator 3 est le premier film de la série des Terminator à ne pas être réalisé et écrit par James Cameron, qui avait imaginé le terrible robot tueur au début des années 80. Le réalisateur canadien, qui n'a pas souhaité reprendre du service, est bien crédité au générique de Terminator 3, mais uniquement comme créateur des personnages.
Une fois le refus de James Cameron définitivement acquis, la recherche du réalisateur de Terminator 3 a tenu le tout Hollywood en haleine plusieurs mois durant. Les noms de Ridley Scott, Roland Emmerich, David Fincher, Christian Duguay et John McTiernan ont ainsi été évoqués avant que Jonathan Mostow ne s'impose au printemps 2001.
Parmi les autres changements marquants au générique des troisièmes aventures du cyborg, le nouveau visage de John Connor, futur chef de la rébellion contre les machines, incarné par Edward Furlong dans Terminator 2 : le jugement dernier . Ce dernier ayant connu quelques problèmes personnels, il a été remplacé par Nick Stahl.
Si John Connor a changé de visage, si sa mère Sarah Connor est absente de Terminator 3, deux personnages ont tout de même passé le cap du troisième clap. Le Terminator incarné par Arnold Schwarzenegger bien sûr et le docteur Silberman, psychiatre toujours incarné par Earl Boen, comme dans les deux premiers Terminator.
Après le T-1000 découvert dans Terminator 2 : le jugement dernier, le bestiaire cyborg de la série s'agrandit encore avec trois nouveaux prototypes montrés à l'écran. Le T-101 incarné par Arnold Schwarzenegger tout d'abord, variante de son prédécesseur le T-800. Le fameux T-X auquel Kristanna Loken prête ses formes ensuite, carapace en métal liquide et fusil à plasma dissimulé sous son bras droit, et enfin le T-1, premier des Terminators jamais créé, "robot primitif mais mortel, mi-tank, mi-robot" selon le responsable des maquillages Stan Winston.
Les effets spéciaux et les maquillages de Terminator 3 sont l'oeuvre de certains des meilleurs spécialistes en la matières à Hollywood. L'association entre la robotique et les maquillages de Stan Winston et les effets numériques développés par Industrial Light and Magic (ILM) avait déjà fait leurs preuves sur Terminator 2 : le jugement dernier et ont bénéficiés des progrès de la technologie pour encore s'améliorer, au point que Stan Winston affirme : "nous avons créé une technologie robotique plus en avance en terme de mouvement et de contrôle que ce qui existe partout dans le monde – plus même que les travaux de la NASA !"
Terminator 3 marque le retour au premier plan du tandem choc formé par les producteurs Mario Kassar et Andrew G. Vajna. A l'origine de succès comme Rambo ou Total recall, ceux-ci s'étaient éloignés à la fin des années 80, avant la faillite en 1995 de la société de production de Mario Kassar, Carolco International Pictures.
Originellement, le nouvel adversaire du T-101 devait être un cyborg à l'apparence masculine. Les noms de Vin Diesel et Shaquille O'Neal avaient alors circulés, avant que le T-X ne devienne féminin. Plus de 10.000 actrices ont été auditionnées, les noms de Famke Janssen, de Peta Wilson et de la lutteuse professionnelle Chyna ont été avancés, avant que les producteurs ne se tournent, comme pour Terminator 2 : le jugement dernier, vers un ennemi inconnu du grand public : le mannequin américain d'origine norvégienne Kristanna Loken, apparue furtivement dans les séries Star Trek Voyager, Lois & Clark et Sliders.
Prévu au départ à Vancouver comme bon nombre de productions hollywoodiennes en raison des coûts de productions moins élevés au Canada, le tournage de Terminator 3 a finalement débuté à Los Angeles en avril 2002 pour 100 jours. Quatre mois et 350 artisans ont été nécessaires à la fabrication des décors répartis entre les plateaux du Los Angeles Center Studio et l'usine Boieng de Downey. "Lorsque nous avons entamé le tournage, Arnold avait les mêmes mensurations qu'à l'époque de Terminator 2 : le jugement dernier", raconte le réalisateur Jonathan Mostow. "Le blouson lui allait comme un gant!"
La principale scène d'action de Terminator 3, dans laquelle le T-101 est accroché à une grue haute de 100 mètres balancée contre les immeubles par le T-X, a demandé la reconstruction entière d'une rue de 400 mètres à l'intérieur de l'usine Boeing de Downey. Pas moins de quatorze caméras ont filmé tout ou partie de la séquence, aucune deuxième prise n'étant possible. La scène de combat entre le T-101 et la T-X dans une salle de bain a, pour sa part, demandé quatre semaines de répétitions et deux semaines de tournage.
Comme tout blockbuster estival, Terminator 3 a bénéficié d'une promotion d'envergure avant sa sortie en France. Le clou du spectacle a cependant eu lieu en mai 2003 lors du Festival de Cannes, où Arnold Schwarzenegger, Kristanna Loken et Claire Danes s'étaient déplacés pour assurer la promotion de leur film. Show assuré devant l'hôtel Carlton décoré pour l'occasion par Arnold Schwarzenegger, montée des marches, présentation d'une bande promo à la presse et deux soirées privées très courues ont assurer à Terminator 3 une importante couverture médiatique.