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 Jennifer Lawrence 飾）在1973年刺殺了玻利瓦爾·特拉斯克（彼特·丁拉基 Peter Dinklage 飾）。在得知“幻影貓”（艾倫·佩吉 E llen Page 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 Patrick Stewart 飾）和萬磁王（伊恩·麥克萊恩 Ian McKellen 飾）達成認同，決定讓金剛狼（休·杰克曼 Hugh Jackman 飾）穿越回1973年，找到年輕的X教授（詹姆斯·麥卡沃伊 James McAvoy 飾）和年輕的萬磁王（邁克爾·法斯賓德 Michael Fassbender 飾）并說服他們一起阻止魔形女的行動。于是，金剛狼踏上了回到過去的旅程，但是命運會不會發生逆轉，任何人都無從知曉。