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……

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......

拥有不死之身的死侍韦德·威尔森（瑞恩·雷诺兹 Ryan Reynolds 饰）继续在惩恶扬善、毒舌嘴贱的路上绝命狂奔，与此同时他和女友瓦内莎（莫蕾娜·巴卡林 Morena Baccarin 饰）的爱情逐渐升华，两人全新期待新生命的到来。谁知命运难测，因瓦内莎意外身亡，韦德万念俱灰，绝望地渴求生命的终结。在他最失落的时候，钢力士和少年弹头等将他领走，成为X战警中的一员。在某次行动中，死侍因袒护暴走的14岁变种人拉塞尔（朱利安·迪尼森 Julian Dennison 饰）而随同对方被关入冰盒监狱。没过多久，来自未来的电索（乔什·布洛林 Josh Brolin 饰）闯入监狱，意图杀死在未来引起无数灾难的拉塞尔。
为了阻止电索，逃离监狱的死侍找到一群战友与之对抗，而拉塞尔则朝着黑暗渐渐远去……

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。