富有魅力的牧场主菲尔·伯班克让他周围的人又敬又怕。当他的兄弟将新婚妻子以及她的儿子带回家时，菲尔百般折磨他们，直到有一天，他发现自己对爱也存有一丝渴望。

曾经名噪一时的女明星罗宾·怀特（罗宾·怀特 Robin Wright 饰）早已过气，45岁的她因为执拗和任性毁掉的很多机会，也让公司老板杰夫（丹尼·赫斯顿 Danny Huston 饰）渐渐失去了耐心。杰夫逼迫她签下演员生涯最后一份合约，从此罗宾的名字和三维扫描后的虚拟 形象只能出现在公司的展示墙上和数字时代的电影中。罗宾起初极度抵制，但在经纪人艾尔（哈威·凯特尔 Harvey Keitel 饰）的竭力劝说下，同时考虑到儿子亚伦（柯蒂·斯密特-麦菲 Kodi Smit-McPhee 饰）的状况，这个倔强的女人选择妥协。20年后，罗宾驱车前往亚伯拉荷马参加未来学大会，而那里是一个全动画封锁区。以动画形象示人的罗宾将经历一次难忘的旅程……
本片根据波兰科幻、哲学、未来学作家斯坦尼斯拉夫·莱姆的短篇小说改编。

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。

变种人天启（奥斯卡·伊萨克 Oscar Isaac 饰）诞生于人类文明的最开端，被人类当做神一般敬仰膜拜，然而，这样的他，却遭到了他最蔑视的人类的背叛，被埋葬于废墟石砾之下，一晃眼就是数千年过去。
一场意外使得沉睡千年的天启从混沌中醒来，重返人间的他却发现曾经高贵的变种人，如今境遇十分糟糕。为了创造一个属于变种人的新世界，他找到了暴风女（亚历山德拉·西普 Alexandra Shipp 饰）、灵蝶（奥立薇娅·玛恩 Olivia Munn 饰），天使（本·哈迪 Ben Hardy 饰），还有想要过平凡生活却依旧遭到人类驱逐的万磁王（迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 饰）组成了天启四骑士。在察觉到天启的动向后，X教授（詹姆斯·麦卡沃伊 James McAvoy 饰）带领着魔形女（詹妮弗·劳伦斯 Jennifer Lawrence 饰）、野兽（尼古拉斯·霍尔特 Nicholas Hoult 饰）和凤凰（索菲·特纳 Sophie Turner 饰）等人，发誓要粉碎天启的阴谋。