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。

在与灭霸史诗般的战争结束后，地球似乎暂时回归和平。皮特（汤姆·赫兰德 饰）回到了校园生活之中，他和好友相谈甚欢，并且有了心仪的女孩，然而内心最深处依然放不下对钢铁侠的追悼缅怀。去往欧洲游学的路上，皮特试图找机会和个性女孩米歇尔（赞达亚 饰）表白，谁知接连出现的元素怪兽打乱了他的表白计划。在这一过程中，与神盾局合作的神秘客（杰克·吉伦哈尔 饰）挺身而出，击退怪兽。自感不堪大任的皮特谢绝了尼克·弗瑞（塞缪尔·杰克逊 饰），情愿将钢铁侠继承者的重任交到神秘客手中。
令他意想不到的是，更可怕的危机接二连三袭来……

戴安娜（盖尔·加朵 Gal Gadot 饰）是女王希波吕忒（康妮·尼尔森 Connie Nielsen 饰）的女儿，自幼生活在天堂岛上。巨大的屏障将这座岛屿同外界的纷纷扰扰隔开犹如一个世外桃源，而岛上生活着的亦都是女性。在女武官安提奥普（罗宾·莱特 Robin Wright 饰）的教导之下，戴安娜习得了高强的武艺，而她的体内，似乎隐藏着某种强大的未知力量。
一场意外中，一位名为史蒂夫（克里斯·派恩 Chris Pine 饰）的男子来到了岛上，从他口中，戴安娜得知外面的世界正在经历战争的磨难，而造成这一切的罪魁祸首，是战神阿瑞斯（大卫·休里斯 David Thewlis 饰）。为了拯救人类于水火之中，戴安娜依然拿起了长剑与盾牌，发誓要彻底摧毁阿瑞斯的阴谋。