一支由變種人組成的X戰警小隊在維護世界和平的過程中面臨嚴峻考驗。能控制氣候的暴風女、具備心電感應能力的琴葛蕾、雙眼釋放致命射線的鐳射眼與能吸收他人能力的淘氣并肩作戰，而獨來獨往的金剛狼（休·杰克曼飾）意外現身引發陣營分裂危機。X戰警領袖獨眼龍（詹姆斯·麥斯登飾）與教授（帕特里克·斯圖爾特飾）試圖說服金剛狼加入，但這位擁有自愈能力和金屬骨骼的戰士始終游移在正邪邊緣。與此同時，掌握磁力操控能力的萬磁王（伊恩·麥克萊恩飾）暗中實施變種人進化計劃，企圖通過Cerebro裝置強行改造全人類基因。在萬磁王綁架琴葛蕾并啟動終極武器的關鍵時刻，X戰警與金剛狼展開生死對決。最終琴葛蕾覺醒鳳凰之力摧毀裝置，金剛狼在化解危機后選擇繼續漂泊。