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……

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。

娜塔莎·罗曼诺夫（黑寡妇）遭遇与她的过去相关的一场危险阴谋，将直面自己那些更为黑暗的经历。一股不惜一切要击倒她的力量袭来，娜塔莎必须面对自己在成为复仇者的很久之前那作为间谍的过往，和曾远离的破碎关系。

在费了九牛二虎之力好不容易打败了神秘客之后，蜘蛛侠彼得·帕克（汤姆·赫兰德 Tom Holland 饰）却被濒死之际的神秘客揭露了真实身份。随后主流媒体对超能力者滥用权力造成普通平民生活无数困扰的行为大加挞伐，一时间彼得的生活乱作一团，甚至影响到了 MJ（赞达亚 Zendaya 饰）和好朋友内德（雅各布·巴特朗 Jacob Batalon 饰）的生活。备受困扰的彼得找到了奇异博士（本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 饰），希望对方施展一条能够让世人忘记他真实身份的咒语。谁知乱中出错，这条咒语将其他宇宙中认识彼得·帕克的人陆续带来，其中包括章鱼博士、绿魔、沙人等其他蜘蛛侠的死对头。担心这些“对手”回到各自宇宙后迎来灭亡的命运，彼得决定拯救他们，却无意中带来让他无法承受的因果……

银河护卫队的成员们已经在虚无之地上安顿了下来。然而，由于浣熊火箭（布莱德利·库珀 配音）动荡往事的侵扰，他们的生活很快被打破。“星爵”彼得·奎尔（克里斯·帕拉特 饰）依然沉浸在失去卡魔拉（佐伊·索尔达娜 饰）的痛苦中，但是他必须团结起护卫队的成员们，前往执行一项危险的任务，只为营救火箭。如果这项任务失败，银河护卫队有可能就此走向终结……