影片剧情围绕X战警中最受欢迎成员之一的琴·葛蕾展开，讲述她逐渐转化为黑凤凰的故事。在一次危及生命的太空营救行动中，琴被神秘的宇宙力量击中，成为最强大的变种人。此后琴·葛蕾不仅要设法掌控日益增长、极不稳定的力量，更要与自己内心的恶魔抗争，她的失控让整个X战警大家庭分崩离析，也让整个星球陷入毁灭的威胁之中。《X战警：黑凤凰》是迄今为止气氛最紧张、情感最丰富的一部《X战警》电影，是《X战警》系列20年来的集大成之作，大家非常熟悉和热爱的变种人大家庭即将面对最为强大的敌人——而她恰恰还是他们中的一员。

陈念（周冬雨 饰）是一名即将参加高考的高三学生，同校女生胡晓蝶（张艺凡 饰）的跳楼自杀让她的生活陷入了困顿之中。胡晓蝶死后，陈念遭到了以魏莱（周也 饰）为首的三人组的霸凌，魏莱虽然表面上看来是乖巧的优等生，实际上却心思毒辣，胡晓蝶的死和她有着千丝万缕的联系。
一次偶然中，陈念邂逅了名为小北（易烊千玺 饰）的小混混，随着时间的推移，心心相惜的两人之间产生了真挚的感情。小北答应陈念在暗中保护她免受魏莱的欺凌，没想到这一决定引发了一连串的连锁反应。负责调查胡晓蝶死因的警官郑易（尹昉 饰）隐隐察觉到校园里的古怪气氛，可他的调查却屡屡遭到校方的阻挠。

身陷囹圄的李问（郭富城 饰）被引渡回港，他原本隶属于一个的跨国假钞制贩组织。该组织曾犯下过多宗恶性案件，而首脑“画家”不仅始终逍遥法外，连真面目都没人知道。为了逼迫李问吐露“画家”真实身份，警方不惜用足以判死刑的假罪证使其就范。就在此时，富有的遗孀阮文（张静初 饰）申请保释李问，而警方提出的条件依然是“画家”的真面目。
原来早在十数年前，李问和阮文是一对画家情侣，无奈女友的作品受人青睐，李问的画作却被贬得一文不值。就在此困顿期间，他制作假画的才能被“画家”（周润发 饰）发掘，进而成为对方美元假币团伙中的一员……

1990年代中期，暗号「黑金星」的南韩「国家安全企划部」情报员，假扮成南韩商人跟北韩进行商业交易，藉此渗透北韩军事单位，打探核开发情报，他得在最危险的地方，赢得敌方的信任，没想到一心只想完成任务的他，却在不自觉中陷入南北韩权力高层间的恐怖阴谋。

近未来，科学家们发现太阳急速衰老膨胀，短时间内包括地球在内的整个太阳系都将被太阳所吞没。为了自救，人类提出一个名为“流浪地球”的大胆计划，即倾全球之力在地球表面建造上万座发动机和转向发动机，推动地球离开太阳系，用2500年的时间奔往另外一个栖息之地。中国航天员刘培强（吴京 饰）在儿子刘启四岁那年前往国际空间站，和国际同侪肩负起领航者的重任。转眼刘启（屈楚萧 饰）长大，他带着妹妹朵朵（赵今麦 饰）偷偷跑到地表，偷开外公韩子昂（吴孟达 饰）的运输车，结果不仅遭到逮捕，还遭遇了全球发动机停摆的事件。为了修好发动机，阻止地球坠入木星，全球开始展开饱和式营救，连刘启他们的车也被强征加入。在与时间赛跑的过程中，无数的人前仆后继，奋不顾身，只为延续百代子孙生存的希望……
本片根据刘慈欣的同名小说改编。