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。

1935年夏天，来自一个宽裕的英国小康家庭的13岁的少女布里奥妮（斯奥里兹•罗南 饰）刚刚开始尝试写作,想象力丰富。一天，她暗中发现仆人的儿子——罗比•特纳（詹姆斯•迈克沃伊 饰）和她姐姐塞西利亚（凯特•奈特莉 饰）之间有暧昧关系，而且发现他给她写了一封充满情色意味的情书。布里奥妮丰富的想象力虚构着各种可怕的事情，浮想联翩。当她的表姐罗拉被强奸后，布里奥妮相当肯定她看到是罗比做的，这次指证使罗比蒙冤入狱，留下伤心欲绝的塞西利亚。
第二次世界大战爆发了，出狱后的罗比和塞西利亚都投入了保卫祖国的战斗，布利奥妮放弃到剑桥升学成为一名军队医务人员。没有人能理解她的做法，只有她知道她怀揣着巨大的秘密和自责。她鼓起勇气，想把这秘密解开，能真正赎罪和得到宽恕。然而，世事幻变，出乎布利奥妮的预算。