变种人天启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、灵蝶，天使，还有想要过平凡生活却依旧遭到人类驱逐的万磁王组成了天启四骑士。在察觉到天启的动向后，X教授带领着魔形女、野兽和凤凰等人，发誓要粉碎天启的阴谋。

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

琴（法米克·詹森 Famke Janssen 饰）的死亡在X战警中造成了持续的影响，斯科特和金刚狼罗根（休•杰克曼 Hugh Jackman 饰）恍然若失。学院的教学任务落在了风暴女（哈莉•贝瑞 Halle Berry 饰）和金刚狼等人的肩上，异种人在这里才能得到身份的认同。某公司从一名异种人儿童的基因中提取出了还原变异的X基因的“解药”，可以令异种人的身体与常人无异，解药的问世在异种人中引起了强烈反响，万磁王（伊安•麦克莱恩 Ian McKellen 饰）四处联系不愿改变体质的异种人，试图用暴力反抗人类

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。