故事发生在并不遥远的未来，X战警遭遇了史上最大的生存危机。他们都被“特拉斯克工业”创始人玻利瓦尔·特拉斯克（彼特·丁拉基 饰）所制造并指挥的新型特种战斗机器人“哨兵”所猎杀，并有着被灭绝的危险。而这一切的根源是魔形女瑞雯（詹妮弗·劳伦斯 饰）在1973年刺杀了玻利瓦尔·特拉斯克。在得知幻影猫凯蒂（艾...伦·佩姬 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 饰）和万磁王（伊恩·麦克莱恩 饰）达成认同，决定让金刚狼罗根（休·杰克曼 饰）穿越回1973年，找到年轻的X教授查尔斯（詹姆斯·麦卡沃伊 饰）和年轻的万磁王艾瑞克（迈克尔·法斯宾德 饰）并说服他们一起阻止魔形女瑞雯的行动。于是，金刚狼罗根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。
