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邪恶变种人兄弟会刺杀了罗伯特-凯利参议员(Robert Kelly)，结果导致在2013年的世界里，变种人全部被关押在集中营，处处受到巨型机器人“哨兵”(Sentinels)的追杀。为了改写历史，未来世界的Kitty Pryde(幻影猫，艾伦-佩吉饰)回到过去警告X战警，让他们阻止兄弟会的刺杀行动。不同年代的新老X战警们第一次相遇了。

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。

具有特殊能力的一群变种人组成了一个维护世界的小组——X战警小队。成员包括能吸收对方记忆的淘气、双眼能放致命射线的独眼狼、能随意控制气候的暴风女（哈莉•贝瑞 Halle Berry 饰）、具有隔空取物和瞬间移动移动能力的琴葛蕾（法米克•詹森 Famke Janssen 饰）。不久，钢狼（休•杰克曼 Hugh Jackman 饰）也出现了。不过钢狼脾气暴躁、独来独往，X战警小队想极力拉拢钢狼加入队伍，无奈孤傲的钢狼一时也没有答应。邪恶轴心能控制磁力和地球引力的万磁王此时也在极力拉拢钢狼，X战警小队不仅要费尽心

高中生瑞科毕业后，在女友卡门的鼓动下，违背父亲意志加入机械化步兵学院，卡门亦加入海军学院。他们参加训练不久，地球遭到外星球昆虫袭击。瑞科的亲人惨遭杀害，卡门将拍摄到的影像传给了瑞科。悲愤交加的瑞科率领部下投入到对抗外星昆虫的战斗中。然而，军队低估了昆虫的实力。瑞科亲眼目睹恐怖的杀戮场面，意外获知这些昆虫变得如此聪明、强大的秘密。瑞科意识到必须制造更先进的武器才能对付这些昆虫，人类的反击开始了。