故事的設(shè)定發(fā)生在當(dāng)下，變種人族群遭到了前所未有的毀滅性打擊，而這一切的根源是"魔形女"瑞文（詹妮弗·勞倫斯飾）在1973年刺殺了玻利瓦爾·特拉斯克（彼特·丁拉基飾）。在得知"幻影貓"（艾利奧特·佩吉飾）利用穿越時(shí)空的能力幫助Blink（范冰冰飾）等戰(zhàn)友逃脫巨型機(jī)器人"哨兵"的追殺后，X教授（帕特里克·斯圖爾特飾）和萬磁王（伊恩·麥克萊恩飾）達(dá)成共識(shí)，決定讓金剛狼（休·杰克曼飾）穿越回1973年，找到年輕的X教授（詹姆斯·麥卡沃伊飾）和年輕的萬磁王（邁克爾·法斯賓德飾）并說服他們共同阻止魔形女的行動(dòng)。金剛狼借助艾德曼合金骨骼對時(shí)間穿越痛苦的高度耐受完成意識(shí)轉(zhuǎn)移，發(fā)現(xiàn)年輕時(shí)代的X教授因失去雙腿而意志消沉、萬磁王則被囚禁在塑料牢籠中。為說服二人合作，金剛狼揭露了特拉斯克利用魔形女DNA研發(fā)哨兵的真相，并借助野獸（尼古拉斯·霍爾特飾）改造的身體強(qiáng)化藥劑恢復(fù)X教授行動(dòng)能力。最終團(tuán)隊(duì)成功在巴黎凡爾賽宮阻止刺殺事件，魔形女被感化放棄復(fù)仇。時(shí)間線重置后變種人族群危機(jī)解除，X教授在輪椅上重新獲得行走能力，萬磁王也被年輕時(shí)代的自己釋放。