故事的設定發生在當下，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）利用穿越時空的能力幫助Blink（范冰冰飾）等戰友逃脫巨型機器人"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）達成共識，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。金剛狼借助艾德曼合金骨骼對時間穿越痛苦的高度耐受完成意識轉移，發現年輕時代的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研發哨兵的真相，并借助野獸（尼古拉斯·霍爾特飾）改造的身體強化藥劑恢復X教授行動能力。最終團隊成功在巴黎凡爾賽宮阻止刺殺事件，魔形女被感化放棄復仇。時間線重置后變種人族群危機解除，X教授在輪椅上重新獲得行走能力，萬磁王也被年輕時代的自己釋放。