年轻的X教授查尔斯(詹姆斯·麦卡沃伊 James McAvoy 饰)和万磁王埃里克(迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 饰)是一对志向相投的好朋友。他们最早发现了自己的超能力,并与其他几个变种人一起在CIA工作。引发埃里克超能力的纳粹战争贩子肖(凯文·贝肯 Kevin Bacon 饰)一直试图挑起核战争,而想方设法挑起美苏两国的矛盾。埃里克和查尔斯一直与肖手下的变种人战斗,努力阻止肖的阴谋。肖怂恿苏联引发古巴导弹危机,查尔斯和埃里克获知消息后,在海湾与肖手下的变种人拉开了对决的一战。最终,肖被查尔斯和埃里克合力消灭。可是,在这个过程中,埃里克逐渐被肖的政治观点影响,与查尔斯产生裂痕。通过海湾的这一战,埃里克和查尔斯最终决裂,一方变成支持人类与变种人和平共存的X教授;另一方坚持通过消灭人类换来变种人兴起的观点,自称万磁王......
故事的设定发生在当下,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”瑞文(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“幻影猫”(艾伦·佩吉 E llen Page 饰)利用穿越时空的能力帮助Blink(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。
美国FBI探员福克斯·穆德(大卫·杜楚尼 David Duchovny 饰)童年时曾经历一起离奇神秘的绑架案,他的妹妹萨曼莎在睡梦中被外星人劫持,至今下落不明。从此穆德便专注于神秘事件的研究,并专门负责FBI总部的X档案部门。因穆德行事乖张,难以驾驭。FBI高层从联邦调查局学院调来女性探员黛娜·斯科莉(吉莲·安德森 Gillian Anderson 饰),表面上是协助穆德工作,实际上是希望这名崇尚科学的理性探员能够制约穆德的行为。两人最初的合作并不理想,完全不同的思维模式时刻导致争论的爆发。但随着各种离奇案件的出现以及两人交往的加深,穆德和斯科莉最终变成可以为对方出生入死的可靠伙伴……