年轻的X教授查尔斯（詹姆斯·麦卡沃伊 James McAvoy 饰）和万磁王埃里克（迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 饰）是一对志向相投的好朋友。他们最早发现了自己的超能力，并与其他几个变种人一起在CIA工作。引发埃里克超能力的纳粹战争贩子肖（凯文·贝肯 Kevin Bacon 饰）一直试图挑起核战争，而想方设法挑起美苏两国的矛盾。埃里克和查尔斯一直与肖手下的变种人战斗，努力阻止肖的阴谋。肖怂恿苏联引发古巴导弹危机，查尔斯和埃里克获知消息后，在海湾与肖手下的变种人拉开了对决的一战。最终，肖被查尔斯和埃里克合力消灭。可是，在这个过程中，埃里克逐渐被肖的政治观点影响，与查尔斯产生裂痕。通过海湾的这一战，埃里克和查尔斯最终决裂，一方变成支持人类与变种人和平共存的X教授；另一方坚持通过消灭人类换来变种人兴起的观点，自称万磁王......

蛰伏2年之后，多米尼克（范•迪塞尔 Vin Diesel饰）与布莱恩（保罗•沃克 Paul Walker 饰）再度联手把火车中的神秘豪车盗走，遭到了警察和黑帮分子的火线追杀。布莱恩和米亚（乔丹娜•布鲁斯特 Jordana Brewster 饰）到里约寻找援兵，并与多米会和。为了寻找多米等人的下落，FBI王牌探员卢克（“岩石”道恩•强森 Dwayne Johnson饰）挺身而出，组成精英部队，追查来到里约。他雇佣了丧夫的美丽女警艾莲娜（埃尔莎•帕塔奇 Elsa Pataky 饰），一同寻找多米。与此同时，里约的地头蛇也对这些不速之客开火。三股势力开始相互缠斗。
期间，因米亚怀孕，布莱恩决定陪她一起逃亡，所以多米只得依靠昔日老友探寻新车的秘密。在罗曼、韩等人的帮助下，多米终于找到了这辆车的秘密——芯片，并由此揭开了其中隐藏的一个不可告人的计划……