间谍加布利尔（约翰•特拉沃塔 John Travolta）在多年特工生涯中，获知政府多年非法收敛了一笔公款。而加布利尔若想实现自己心中的梦想，钱是最关键的因素。正因如此，机智狡猾的加布利尔决定向这笔赃款下手。
要想计划能顺利进行，加布利尔需要一名顶尖的电脑黑客。斯坦利（休•杰克曼 Hugh Jackman）正是地球上最顶级的黑客之一，多年前他就把FBI引以为豪的安全系统搞得天翻地覆，亦因此的引来牢狱之灾，妻子带着女儿远走他乡。出狱后一直被禁止使用电脑和其他电子产品。
加布利尔派他的女搭档金吉尔（哈莉•贝瑞 Halle Berry）游说斯坦利出山，承诺成功后帮斯坦利取回女儿的抚养权并安排其远走高飞享受新生活。经不住诱惑，斯坦利再度出山。然而，事情并没有像预想中顺利……

2029年，变种人大幅减少，X战警早已解散。身心疲惫的金刚狼罗根的自愈因子逐渐消失，整天饮酒度日，靠当司机养家。他在墨西哥边境隐居，并照顾着饱受病痛折磨的老X教授。有一天，一位陌生女子让罗根送一个叫劳拉的女孩去加拿大边境，一开始罗根拒绝了，但查尔斯一直在等着这个女孩的出现，劳拉拥有超强的战斗力，而且在许多方面都很像金刚狼。她被一个强大公司的幕后人物所追踪，因为她的DNA里有连接罗根的秘密，一场无休止的追捕由此展开。

变种人族群遭到了前所未有的毁灭性打击，而这一切的根源是“魔形女”瑞雯（詹妮弗·劳伦斯 Jennifer Lawrence 饰）在1973年刺杀了玻利瓦尔·特拉斯克（彼特·丁拉基 Peter Dinklage 饰）。在得知“小淘气”（艾利奥特·佩吉 Elliot Page 饰）利用穿越时空的能力帮助“闪烁”（范冰冰 饰）等战友逃脱巨型机器人“哨兵”的追杀后，X教授（帕特里克·斯图尔特 Patrick Stewart 饰）和万磁王（伊恩·麦克莱恩 Ian McKellen 饰）达成认同，决定让金刚狼（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）穿越回1973年，找到年轻的X教授（詹姆斯·麦卡沃伊 James McAvoy 饰）和年轻的万磁王（迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 饰）并说服他们一起阻止魔形女的行动。于是，金刚狼踏上了回到过去的旅程，但是命运会不会发生逆转，任何人都无从知晓……

贫苦的冉·阿让（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）为了挨饿的孩子去偷面包，结果被判处19年的苦役。出狱后，走投无路的他偷走了收留他过夜的主教的银器潜逃，被警察捉回。主教声称银器是送给他的，使他免于被捕。主教的言行感化了他，他化名马德兰，从此洗心革面奋发向上开始新生活。但缉拿过他的警长沙威（罗素·克劳 Russell Crowe 饰）却一心要找他麻烦。在得知了芳汀（安妮·海瑟薇 Anne Hathaway 饰）的悲惨遭遇后，他承诺照顾她的私生女柯赛特（阿曼达·塞弗里德 Amanda Seyfried 饰）。八年后，柯赛特爱上了共和派青年马利尤斯（埃迪·雷德梅恩 Eddie Redmayne 饰），轰轰烈烈的巴黎人民起义爆发了，无赖德纳迪埃（萨莎·拜伦·科恩 Sacha Baron Cohen 饰）和他又狭路相逢，而多年来从未放弃追捕他的沙威又出现在他的面前……