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……

由于邪恶势力肆意蔓延，一群具有超群实力的正义之士挺身而出，他们戴着面具，身着奇装异服，与各种坏蛋展开较量。不久，他们的英雄事迹通过媒体传遍全国，美元钞票、丝绸鬼魂、罗夏、城市队长等超级英雄的名字广为传播，他们更参与到大大小小的重大事件之中，也因各自的性格遭受着不同的命运。但是在20世纪70年代，政府出台的法令导致一部分不愿成为权贵爪牙的英雄退休，超级英雄集团由此分化。
1985年的一天，效力政府的超级英雄“喜剧演员”爱德华·布莱克（杰弗里·迪恩·摩根 Jeffrey Dean Morgan 饰）被人杀害。四处逃亡的“罗夏”的沃尔特·科瓦奇（杰基·厄尔·哈利 Jackie Earle Haley 饰）意识到有人正向曾经的超级英雄痛下杀手，而这背后隐藏着更大的阴谋……

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。

在“索科维亚战役”两年后，雷神索尔（克里斯·海姆斯沃斯 饰）识破了洛基（汤姆·希德勒斯顿 饰）的伪装，辗转找到了被放逐到地球的奥丁（安东尼·霍普金斯 饰）。然而垂死的奥丁却告知两个儿子，“诸神的黄昏”已经开始，曾遭到奥丁封禁的死亡女神海拉（凯特·布兰切特 饰）即将重返阿斯加德。与海拉的初次对决中，索尔失去了雷神之锤，他和洛基也被打落至混乱不堪的萨卡星。在萨卡的决斗场上，索尔重逢失踪许久的绿巨人，也见到了曾从海拉魔爪下逃得一生的女武神。
历经千辛万苦，索尔和战友们重返阴云密布的阿斯加德，去正视这注定要到来的“诸神的黄昏”……