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JenniferLawrence饰）在1973年刺杀了玻利瓦尔特拉斯克（彼特丁拉基PeterDinklage饰）。在得知“幻影猫”（艾伦佩吉EllenPage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PatrickStewart饰）和万磁王（伊恩麦克莱恩IanMcKellen饰）达成认同，决定让金刚狼（休杰克曼HughJackman饰）穿越回1973年，找到年轻的X教授（詹姆斯麦卡沃伊JamesMcAvoy饰）和年轻的万磁王（迈克尔法斯宾德MichaelFassbender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。