年轻的X教授查尔斯（詹姆斯·麦卡沃伊 James McAvoy 饰）和万磁王埃里克（迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 饰）是一对志向相投的好朋友。他们最早发现了自己的超能力，并与其他几个变种人一起在CIA工作。引发埃里克超能力的纳粹战争贩子肖（凯文·贝肯 Kevin Bacon 饰）一直试图挑起核战争，而想方设法挑起美苏两国的矛盾。埃里克和查尔斯一直与肖手下的变种人战斗，努力阻止肖的阴谋。肖怂恿苏联引发古巴导弹危机，查尔斯和埃里克获知消息后，在海湾与肖手下的变种人拉开了对决的一战。最终，肖被查尔斯和埃里克合力消灭。可是，在这个过程中，埃里克逐渐被肖的政治观点影响，与查尔斯产生裂痕。通过海湾的这一战，埃里克和查尔斯最终决裂，一方变成支持人类与变种人和平共存的X教授；另一方坚持通过消灭人类换来变种人兴起的观点，自称万磁王......

被恶德男友强迫帮人送货的年轻女子露西（斯嘉丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰），遭遇了穷凶恶极的黑帮头目张先生（崔岷植 饰）一伙。她连同三个男人被张先生在腹部缝入了代号为CPH4的神秘药品，以此将药品偷偷带入不同国家。在台北盘桓期间，露西遭到恶男暴打，以致药品破裂进入血液之中。谁知令人难以置信的事情就此发生，药品激发了露西大脑的潜力，令人脑中约90%的神经元相继苏醒。伴随着身体的飞快进化，露西掌握了越来越多人们所谓的超能力。她清楚地了解到CPH4所拥有的强大威力，于是想方设法要阻止其他三袋药品落入张先生一伙手中。
期间她试图与大脑研究方面的资深教授塞缪尔·诺曼（摩根·弗里曼 Morgan Freeman 饰）取得联系，在后者的见证下，露西将迎来大脑100%苏醒的历史性时刻……

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。