美国加州的圣佩雷罗港一艘货轮爆炸，死亡27人，9000万美元失踪。事故发生以后，联邦调查局探员白基奇在医院等待昏迷不醒的幸存者；海关特派员大卫（查兹•帕明特里 饰）则对另外一名拿到特赦令的幸存者金特（凯文•史派西 饰）进行了审问。
金特供认，在事故中丧生的基顿（加布里埃尔•伯恩 饰）、法特（本尼西奥•德托罗 饰）、麦曼诺（斯蒂芬•鲍尔文 饰）和杜学尼（凯文•波拉克 饰），以及他本人，六个月前被警察局作为卡车抢劫案的疑犯带到警局过了一夜，五人因此结成了一个犯罪团伙，狼狈为奸，狠捞了好几笔。好景不长，某天，律师小林（皮特•波斯尔思韦特 饰）找到他们，让他们替神秘头目凯撒•苏尔烧掉货轮上的毒品。法特第一个退出，随即遭到杀害，剩下四人不得不接受了这个任务。在货轮上，麦曼诺、法特、基顿都没有找到毒品，也因此相继被凯撒杀害，船也被炸毁，金特因为留在岸上接应而侥幸生还。
另一边，在医院抢救的幸存者，拼出了凯撒的头像，结果让所有人大吃一惊……

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……

在一次政治要人遭到暗杀后，所有的矛头又一次指向变种人。这一次，X教授也感到压力大增，以致于跟美国总统都要就此事进行磋商。一个拥有很高声誉的前将军，率领着反对变种人的联盟连续对X教授施压。万磁王在这种情况下，不得不寻找与X教授联手抵抗前将军的方式。金钢狼的身世也将进一步揭晓。

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。