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......

镭射眼、琴·葛蕾、暴风女是X战警的核心人物。而X战警队伍来了一位危险人物——金刚狼，他是个脾气暴躁，几乎不受控制的变种人，使X战警内部危机四伏。更糟的是，又来了一个反派人物“万磁王”，它能控制地球磁场和金属。 而且还憎恨人类，认为变种人比人类更优秀，应该主宰人类。而誓死保卫人类的X战警，将会发现他们在尽力保卫人类之时，人类也对他们也产生了极大的恐惧，双方关系渐渐紧绷。X战警必须面对金刚狼的脾气暴躁与万磁王的到处杀戮，X战警陷入了进退两难的重重危机中。

琴的死亡在X战警中造成了持续的影响，斯科特和罗根恍然若失。学院的教学任务落在了暴风女和金刚狼等人的肩上，变种人在这里才能得到身份的认同。某公司从一名变种人儿童的基因中提取出了还原变异的X基因的“解药”，可以令变种人的身体与常人无异，“解药”的问世在变种人中引起了强烈反响，万磁王四处联系不愿改变体质的变种人，试图用暴力反抗人类社会的不公平待遇。金刚狼等人发现琴并未死去，而且她被唤醒的第二重人格拥有极为强大的力量，X教授和万磁王各自争取琴，她成为了改变变种人世界的关键人物。

1845年，尚年幼的维克多与詹姆斯兄弟俩在长辈之间一场突如其来争执中唤醒了自身的潜能，詹姆斯情急之下将陌生的生父杀死，自此兄弟两人流落战场，他们凭借不死不衰之身和野兽一般的天赋在各个时代的战争中大开杀戒，直到遇见史崔克少校并加入了他的异能人特殊部队。詹姆斯（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）很快厌倦了对弱势者的杀戮，离开了团队和维克多（列维·施瑞博尔 Liev Schreiber 饰），与女友凯拉隐居在山林中，做了一名伐木工人。六年后，詹姆斯惊闻昔日的超能力队友纷纷被杀害，而杀手正是哥哥维克多，不久连凯拉也遭其毒手，愤怒的詹姆斯与史崔克合作，将自己的身体改造，成为钢筋铁骨的“金刚狼”。金刚狼摆脱军方控制后，发誓要杀死维克多和史崔克为凯拉报仇……

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。