电影故事的设定发作在美国社会当下，变种人族群遭到了史无前例的毁灭性冲击，而这一切的根源是“魔形女”瑞文（詹妮弗·劳伦斯 Jennifer Lawrence 饰）在公元1973年刺杀了玻利瓦尔·特拉斯克（彼特·丁拉基 Peter Dinklage 饰）。在得知“幻影猫”（艾伦·佩吉 E llen Page 饰）利用穿越时空的才能协助Blink（范冰冰 饰）等战友逃脱巨型机器人“哨兵”的追杀后，哨兵机器人可以检测出任何方式的变种类型，而他们的基因则可以让他们瞬间改换和改造自身，然后击败X战警。

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）达到认同，决议让金刚狼（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）穿越回1973年，找到年青的X教授（詹姆斯·麦卡沃伊 James McAvoy 饰）和年青的万磁王（迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 饰）并压服他们一同阻挠魔形女的举动。所以，通过幻影猫凯蒂的超能力使金刚狼踏上了回到曩昔的旅程，可是命运会不会发作反转，任何人都无从知晓。