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……

故事发生在遥远的未来世界中，在彼时的社会里，一群被称为“Equals”的种族成为了其中的主要生产力。相较于普通人类，Equals更加的完美，他们有美丽的外貌，高尚的道德感，稳定的情绪，聪慧的头脑，但与此同时，过于的完美让Equals失去了人类的感情。被称为SOS的疾病是这个社会里存在的最大不稳定因素，患上了SOS的人会变得敏感悲伤，抑郁冲动，居民们一旦被发现患上SOS症，就会被政府流放，永远无法再回归社会。
西拉斯（尼古拉斯·霍尔特 Nicholas Hoult 饰）就是一名SOS症患者，某日，他邂逅了名为尼雅（克里斯汀·斯图尔特 Kristen Stewart 饰）的女孩，尼雅虽然看似冷漠无情，但实际上，她也患有SOS症，一切只不过是她的伪装而已。