故事发生在当下，变种人正遭受前所未有的灭顶之灾。追溯根源，这场灾难源于1973年魔形女瑞文（詹妮弗·劳伦斯 Jennifer Lawrence 饰）刺杀玻利瓦尔·特拉斯克（彼特·丁拉基 Peter Dinklage 饰）的行动。得知幻影猫（艾伦·佩吉 Ellen Page 饰）能够借助穿越时空的能力，帮助包括Blink（范冰冰 饰）在内的战友躲避巨型机器人“哨兵”的追杀后，X教授（帕特里克·斯图尔特 Patrick Stewart 饰）与万磁王（伊恩·麦克莱恩 Ian McKellen 饰）达成共识，决定派金刚狼（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）回到1973年。
金刚狼必须找到年轻的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），说服他们联手阻止瑞文的刺杀计划。带着改变未来的使命，金刚狼踏上了穿越时空的旅程。然而，这次回到过去的行动能否扭转变种人的命运，仍然无人能够预料。
