돌연변이를 멸종시키기 위해 개발된 로봇 ‘센티넬’로 인해 인류가 사상 최악의 위기에 직면한 미래. 오랜 친구이자 적으로 맞서온 프로페서 X(패트릭 스튜어트)와 매그니토(이안 맥켈렌)는 과거를 통해 미래의 운명을 바꾸고자 울버린(휴 잭맨)을 50년 전인 1973년으로 보낸다. 울버린의 임무는 ‘센티넬’ 개발의 단초가 된 트라스크 암살 사건을 저지하는 것. 1973년에 당도한 울버린은 은둔 생활을 하고 있는 찰스(제임스 맥어보이)를 만나고, 약의 힘으로 고통을 견디며 무력하게 살고 있는 그에게 미래 엑스맨의 리더인 프로페서 X의 존재를 알려주며 각성을 유도한다. 또한 케네디 대통령 암살 용의자로 체포되어 펜타곤 지하 깊숙한 곳에 갇혀 있는 에릭(마이클 패스벤더)을 구출한다. 서로 반목하던 찰스와 에릭은 비극적인 미래를 막기 위해 손을 잡는다. 그런 상황에서 레이븐(제니퍼 로렌스)은 돌연변이 연구자이자 세계적인 무기 개발자 트라스크 박사를 암살할 계획을 세운다. 하지만 트라스크 역시 레이븐을 생포해 그녀의 능력을 ‘센티넬’ 개발에 활용하고자 하는데…