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。