2029年，变种人大幅减少，X战警早已解散。身心疲惫的金刚狼罗根的自愈因子逐渐消失，整天饮酒度日，靠当司机养家。他在墨西哥边境隐居，并照顾着饱受病痛折磨的老X教授。有一天，一位陌生女子让罗根送一个叫劳拉的女孩去加拿大边境，一开始罗根拒绝了，但查尔斯一直在等着这个女孩的出现，劳拉拥有超强的战斗力，而且在许多方面都很像金刚狼。她被一个强大公司的幕后人物所追踪，因为她的DNA里有连接罗根的秘密，一场无休止的追捕由此展开。

位于加拿大的深山老林，背负着永生之苦的“金刚狼”罗根（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）隐居于此。在一次与猎人的冲突中，他得到东瀛女子雪生（福岛莉拉 饰）的帮助。雪生是罗根二战期间的旧相识矢志田派来的下属，似乎不久于人世的老友渴望死去之间再见罗根一面。跨越重洋的罗根终于见到在虚弱的矢志田，对方希望他能够保护自己的孙女真理子（冈本多绪 饰）。随着老人谢世，葬礼上突然战火点燃。罗根在雪生的帮助下拼死救出真理子，而矢志田的儿子信玄（真田广之 饰）似乎另有所图。逃亡途中，罗根意外发现他丧失了自愈的能力，金刚狼最大的危机降临……
本片根据弗兰克·米勒（Frank Miller）的原著漫画改编。

琴的死亡在X战警中造成了持续的影响，斯科特和罗根恍然若失。学院的教学任务落在了暴风女和金刚狼等人的肩上，变种人在这里才能得到身份的认同。某公司从一名变种人儿童的基因中提取出了还原变异的X基因的“解药”，可以令变种人的身体与常人无异，“解药”的问世在变种人中引起了强烈反响，万磁王四处联系不愿改变体质的变种人，试图用暴力反抗人类社会的不公平待遇。金刚狼等人发现琴并未死去，而且她被唤醒的第二重人格拥有极为强大的力量，X教授和万磁王各自争取琴，她成为了改变变种人世界的关键人物。

在一次政治要人遭到暗杀后，所有的矛头又一次指向变种人。这一次，X教授也感到压力大增，以致于跟美国总统都要就此事进行磋商。一个拥有很高声誉的前将军，率领着反对变种人的联盟连续对X教授施压。万磁王在这种情况下，不得不寻找与X教授联手抵抗前将军的方式。金钢狼的身世也将进一步揭晓。

镭射眼、琴·葛蕾、暴风女是X战警的核心人物。而X战警队伍来了一位危险人物——金刚狼，他是个脾气暴躁，几乎不受控制的变种人，使X战警内部危机四伏。更糟的是，又来了一个反派人物“万磁王”，它能控制地球磁场和金属。 而且还憎恨人类，认为变种人比人类更优秀，应该主宰人类。而誓死保卫人类的X战警，将会发现他们在尽力保卫人类之时，人类也对他们也产生了极大的恐惧，双方关系渐渐紧绷。X战警必须面对金刚狼的脾气暴躁与万磁王的到处杀戮，X战警陷入了进退两难的重重危机中。

1845年，尚年幼的维克多与詹姆斯兄弟俩在长辈之间一场突如其来争执中唤醒了自身的潜能，詹姆斯情急之下将陌生的生父杀死，自此兄弟两人流落战场，他们凭借不死不衰之身和野兽一般的天赋在各个时代的战争中大开杀戒，直到遇见史崔克少校并加入了他的异能人特殊部队。詹姆斯（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）很快厌倦了对弱势者的杀戮，离开了团队和维克多（列维·施瑞博尔 Liev Schreiber 饰），与女友凯拉隐居在山林中，做了一名伐木工人。六年后，詹姆斯惊闻昔日的超能力队友纷纷被杀害，而杀手正是哥哥维克多，不久连凯拉也遭其毒手，愤怒的詹姆斯与史崔克合作，将自己的身体改造，成为钢筋铁骨的“金刚狼”。金刚狼摆脱军方控制后，发誓要杀死维克多和史崔克为凯拉报仇……

变种人族群遭到了前所未有的毁灭性打击，而这一切的根源是“魔形女”瑞雯（詹妮弗·劳伦斯 Jennifer Lawrence 饰）在1973年刺杀了玻利瓦尔·特拉斯克（彼特·丁拉基 Peter Dinklage 饰）。在得知“小淘气”（艾利奥特·佩吉 Elliot Page 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 Patrick Stewart 饰）和万磁王（伊恩·麦克莱恩 Ian McKellen 饰）达成认同，决定让金刚狼（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）穿越回1973年，找到年轻的X教授（詹姆斯·麦卡沃伊 James McAvoy 饰）和年轻的万磁王（迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 饰）并说服他们一起阻止魔形女的行动。于是，金刚狼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……