Dans l'univers des X-Men, les mutations génétiques octroient des super-pouvoirs à une part croissante de la population. Ces qualités surhumaines se dévoilent en général à l’adolescence, moment critique pendant lequel un mutant peut sombrer dans le doute et l’égarement ou au contraire peut arriver à maîtriser ses dons et devenir un individu épanoui.
Afin de les aider à franchir ce moment difficile, le professeur Charles Xavier a créé une école spécialisée où il les forme à utiliser leurs pouvoirs et à s’accepter eux-mêmes. Il leur apprend également à vivre en harmonie avec les humains « normaux ».
Mais d’autres mutants, qui n’ont pas eu la chance de rencontrer le professeur Xavier, ou qui l'ont rejeté, se sont égarés sur la voie du mal. Regroupés parfois autour du mutant, Magnéto, ils n’ont pour but que d’affirmer leur prééminence en réduisant l’humanité en esclavage.
Les mutants, eux, se répartissent en deux groupes : ceux qui sont proches du professeur Charles Xavier et qui croient à l'avantage de la différence et aux bénéfices du métissage des capacités; et ceux qui sont proches de Magnéto, se considèrent comme le stade évolué de l'homme et à ce titre, considèrent que ce dernier est condamné à disparaître car il ralentit l'émergence d'une nouvelle humanité.

L'évolution de la vie passerait par des périodes de mutation massives. L'humanité vit l'une de ces périodes. Ainsi, plusieurs humains mutants possèdent des pouvoirs prodigieux, ce que craint la population en général. Devant ce fait, certains mutants se divisent en deux groupes. Ceux ayant à leur tête le professeur Charles Xavier, un puissant télépathe qui prône une collaboration avec les humains « normaux », et ceux ayant à leur tête Erik Lensherr, plus communément appelé Magnéto, capable de créer de puissants champs magnétiques et prônant une attitude agressive envers les humains « normaux », attitude probablement inspirée de son emprisonnement, lors de son enfance, dans un camp d'extermination nazi. Xavier a fondé, au nord de Salem (Massachusetts), un institut qui entraîne de nombreux élèves comme Tornade, Jean Grey et Cyclope. Les membres de cet institut, les X-men, essaient de contrer les actions de Magnéto et de ses acolytes.
Une mutante, Malicia, dont les pouvoirs sont apparus à l'adolescence, peut absorber l'énergie vive d'une personne et s'approprier ses pouvoirs de façon temporaire ou définitive s'il s'agit d'un mutant. Faisant de l'auto-stop pour aller probablement en Alaska, elle rencontre au Canada Wolverine, un mutant aux capacités de régénération exceptionnelles. Ce dernier accepte de l'emmener dans son véhicule. Dents-de-Sabre, un mutant au service de Magnéto, les attaque, mais Malicia et Wolverine sont sauvés par Cyclope et Tornade. Ramenés à l'institut, Wolverine et le professeur Xavier concluent un pacte pour découvrir les intentions de Magnéto.
Magnéto fait kidnapper, par ses acolytes Mystique et le Crapaud, le sénateur Robert Kelly, favorable à une loi obligeant les mutants à révéler publiquement leur identité. Magnéto le soumet à une machine de son invention qui provoque une mutation chez les êtres humains « normaux ». Malicia est convaincue par Mystique, qui a pris l'apparence de Bobby Drake, qu'elle n'est pas la bienvenue à l'institut et quitte la résidence. Elle est enlevée par Magnéto, Dents-de-Sabre et le Crapaud malgré les efforts de Wolverine, Cyclope et Tornade pour la secourir.
Kelly s'échappe de sa prison mais, une fois arrivé à l'institut Xavier, sa mutation devient instable et il meurt. Xavier découvre cependant que Magnéto compte utiliser Malicia pour alimenter sa machine et tente de la localiser avec le Cerebro, mais l'appareil a été saboté par Mystique et Xavier tombe dans le coma. Jean Grey réussit à utiliser Cerebro et découvre que Malicia est retenue sur Liberty Island, Magneto comptant utiliser sa machine sur les leaders mondiaux réunis sur l'île voisine d'Ellis Island. Les X-Men se rendent donc à la statue de la Liberté et sauvent Malicia de la mort après un combat prolongé contre Magnéto et ses sbires. Après cette périlleuse mission, Wolverine décide de partir pour retrouver son passé et se dirige vers la base militaire de Alkali Lake. Xavier, qui est sorti de son coma, rend visite à Magnéto, désormais emprisonné dans une prison de plastique.

Alors que les X-Men sont à la recherche d'un étrange mutant dénommé Kurt Wagner, qui s'est introduit dans le bureau ovale pour tenter d'assassiner le président des États-Unis, l'opinion publique leur est de plus en plus hostile. Le Professeur Xavier et Cyclope rendent visite à Magnéto dans sa prison pour savoir s'il est impliqué et Xavier découvre qu'un certain William Stryker, un militaire qui semble en savoir long sur le passé de Wolverine, a soutiré des informations à Magnéto. Stryker, aidé par son assistante Yuriko Oyama, enlève le Professeur Xavier et Cyclope et lance ensuite un raid sur le manoir de la Fondation Xavier. Il s'empare du Cerebro et de la majorité des élèves mutants pendant que Tornade et Jean Grey recherchent et finissent par trouver Diablo (Kurt Wagner), le mutant-terroriste de la Maison-Blanche, dont le pouvoir est de se téléporter où il le souhaite. Parmi les rescapés de l'attaque du manoir, on compte Malicia, Pyro, Iceberg, Shadowcat,Colossus, Wolverine et d'autres élèves qui se sont échappés par les différents couloirs de sortie.
Mystique parvient à faire échapper Magnéto de sa prison pendant que Wolverine, Malicia, Iceberg et Pyro se rendent à Boston pour retrouver Jean et Tornade. Ils font une halte chez les parents d'Iceberg mais le frère de ce dernier les dénonce à la police. Les X-Men s'échappent en jet mais sont poursuivis par l'US Air Force et ne doivent leur salut qu'à l'intervention de Magnéto. Les X-Men font alors alliance avec Magnéto et Mystique pour contrer les plans de Stryker, qui contrôle certains mutants en leur injectant une drogue. Jean Grey lit dans l'esprit de Diablo, qui a été lui aussi sous l'influence de Stryker, et apprend que le militaire a sa base à Alkali Lake. Les mutants se rendent donc à Alkali-Lake où Stryker, grâce à son fils Jason, communément appelé le mutant 143, contrôle les pouvoirs du professeur Xavier et lui commande de tuer tous les mutants de la planète. Wolverine affronte et tue Yuriko Oyama pendant que Grey libère Cyclope de son contrôle mental, et que Tornade et Diablo libèrent les élèves de l'Institut. Pendant ce temps, le professeur Xavier, leurré par les illusions créées par Jason, s'emploie à tuer tous les mutants, le Cérébro qui amplifie ses pouvoirs lui permettant de les localiser tous. Une douleur psychique submerge alors les mutants se trouvant dans la base sauf Magnéto, protégé par son casque. Magnéto retrouve à temps Xavier dans la base militaire et inverse les paramètres du Cérébro pour que la cible soit les humains ordinaires. Les X-men parviennent à l'arrêter, mais la base commence peu à peu à s'écrouler à cause des fissures provoquées par Cyclope et Jean Grey lors de leur affrontement. Magnéto et Mystique quittent les lieux et emmènent Pyro, qui s'est rallié à leur cause, avec eux. À la suite du début de l'engloutissement de la base d'Alkali-Lake, Jean Grey descend du jet et grâce à ses pouvoirs télékinétiques, fait barrage à l'eau et démarre l'avion, avant d'être engloutie par les flots. Cette hypothétique mort affecte fortement Cyclope et Wolverine. Par la suite, le président des États-Unis obtient grâce aux X-Men la vérité sur les intentions de Stryker et réalise les avantages d'une paix avec les mutants. Mais, à Alkali Lake, l'ombre d'un phénix apparaît dans le lac.

La société pharmaceutique Worthington a mis au point un « vaccin » permettant aux mutants de renoncer à leurs pouvoirs. Pour la première fois de leur histoire, un choix s'offre à eux : conserver leurs caractéristiques uniques mais également la méfiance de l'humanité, ou bien abandonner leurs pouvoirs et devenir des êtres humains normaux. Malicia fait partie des mutants qui veulent renoncer à leurs pouvoirs.
Scott Summers (Cyclope), très déprimé depuis la mort de Jean Grey, retourne à Alkali Lake et Jean lui apparaît soudain en sortant du lac, ses pouvoirs s'étant manifestement développés. Alerté par ses pouvoirs psychiques, le professeur Xavier envoie Wolverine et Tornade à Alkali Lake et les deux mutants retrouvent Jean Grey inconsciente mais vivante alors que Cyclope a disparu. Ils la ramènent au manoir des X-Men où le professeur Xavier leur explique que Jean Grey a libéré, en se sacrifiant, la partie de son subconscient appelée « le Phénix ». Craignant sa puissance incontrôlable, Xavier avait contenu le Phénix depuis de nombreuses années. Jean Grey, désormais contrôlée par le Phénix, s'échappe peu après du manoir. Magnéto, secondé par Pyro et Mystique, recrute quant à lui de nombreux mutants dans sa confrérie afin de lutter contre la firme qui produit les vaccins anti-mutants. Il délivre notamment le Fléauet l'Homme-Multiple et s'entoure de mutants tels que Callisto, Psylocke, Spyke ou encore Arclight. Mais Mystique, touchée par un pistolet à aiguille, se fait inoculer le vaccin. Elle perd ses pouvoirs et Magnéto l'abandonne.
Magnéto et Xavier cherchent Jean Grey et la retrouvent dans la maison où elle a passé son enfance. Pendant que Wolverine et Tornade se battent contre le Fléau et Callisto, le professeur Xavier essaie de contrôler le Phénix mais cette dernière, rongée par une rancœur accumulée durant toutes ces années, libère sa puissance destructrice et, par là-même, tue le professeur Xavier. N'ayant plus de repères, le Phénix s'allie à Magnéto et sa confrérie, persuadée par Magnéto que Xavier lui a menti toute sa vie sur ce qu'elle est vraiment.
Magnéto, ayant désormais le champ libre, lève une armée de mutants afin d'assiéger l'île d'Alcatraz, île sur laquelle se trouve Jimmy / Sangsue, l'enfant grâce auquel la société Worthington fabrique les vaccins anti-mutants. Tornade, Wolverine, le Fauve, Iceberg, Colossus et Kitty Pryde unissent leurs forces pour affronter Magnéto. Un gigantesque combat éclate car les mutants de Magnéto donnent l'assaut alors que les militaires défendent l'île. Iceberg triomphe de Pyro, Kitty Pryde sauve Jimmy du Fléau, et Wolverine finit par réussir à distraire Magnéto le temps que le Fauve lui injecte l'antidote, ce qui lui retire tous ses pouvoirs. Cependant, le Phénix n'est pas vaincu et détruit tout autour d'elle. Wolverine comprend alors que seul lui peut l'arrêter. Il s'efforce de s'approcher de Jean Grey, mutilé par sa puissance psychique, mais grâce à sa mutation et à son squelette en adamantium il parvient à arriver jusqu'à elle. Jean regagne momentanément le contrôle et supplie Wolverine de la tuer, ce qu'il fait le cœur brisé. Tornade est désormais à la tête de la Fondation Xavier, alors que la tombe de Jean Grey est à côté de celles de Scott Summers et de Charles Xavier. À la fin du film, on retrouve Magnéto jouant aux échecs, seul, et il parvient à faire très légèrement bouger une pièce grâce à l'aimant à sa base. Après le générique de fin, on découvre que le professeur Xavier est toujours vivant, ayant pris possession du corps d'un malade dans un état végétatif. Il s'adresse à l'infirmière, Dr. Moira MacTaggert, présente à côté du malade.

En 2023, les mutants ainsi que des humains susceptibles d'engendrer des mutants et d'autres qui voulaient les aider ont été presque exterminés au cours d'une guerre contre les Sentinelles, des robots conçus pour trouver et éliminer les mutants. Dans un ultime effort pour changer le cours tragique des événements, le professeur Charles Xavier et Magnéto renvoient l'esprit de Wolverine dans son propre corps, en 1973, grâce aux talents de Kitty Pride. Ainsi conscient de l'avenir qui se prépare, il doit y retrouver les jeunes mutants qu’ils ont été.
Logan y retrouve un Charles Xavier qui a renoncé à ses pouvoirs, et qui vit cloîtré avec Hank dans son manoir. Charles annonce à Logan que Magnéto est emprisonné dans le Pentagone pour l'assassinat de John F. Kennedy. Le but de Wolverine est de convaincre Xavier et Magnéto que la guerre va éclater suite à un enchaînement d'évènements provoqués par Mystique : elle cherche à abattre le docteur Bolivar Trask qui est en train de mettre au point les Sentinelles. Une fois qu'elle aura tué Trask, elle sera immédiatement arrêtée, et l'utilisation de ses cellules de mutante permettra de faire des Sentinelles ces armes absolues dans le futur : ses facultés de métamorphe seront synthétisées et données aux Sentinelles, leur permettant de s'adapter aux pouvoirs de leurs adversaires.
Comme ils ont besoin de Magnéto pour convaincre Mystique de renoncer à son meurtre, Xavier, Hank et Logan décident de le faire évader du Pentagone. Pour ce faire, ils sollicitent l'aide de Vif-Argent, qui accepte de les aider. Grâce à lui, ils se débarrassent aisément des gardes et font sortir Magnéto, puis s'envolent pour Paris. Pendant le trajet, Xavier et Erik se disent ce qu'ils ont sur le cœur et semblent entamer leur réconciliation. Cependant, lors de la Conférence de Paris pour la fin de la guerre au Viêt Nam, Magnéto décide purement et simplement d'éliminer Mystique pour la survie des mutants. Il la blesse à la jambe, et son sang est ensuite récupéré par l'équipe du docteur Trask. Comme ils se sont battus aux yeux du monde entier, le président des États-Unis Richard Nixon décide de valider le programme Sentinelle de Trask, qui sont assemblées et présentées au public.
Magnéto se sert alors des prototypes des Sentinelles pour faire comprendre aux humains et aux mutants le potentiel de ces nouveaux robots. Il déplace le Robert F. Kennedy Memorial Stadium deWashington pour isoler la Maison-Blanche, et se présente aux caméras du monde devant le président Nixon et son état-major désarmé. Logan, le Fauve et Xavier tentent de s'interposer mais sont mis en déroute par les Sentinelles, sous le contrôle de Magnéto. Mystique, prend l'apparence du président pour empêcher Magnéto de le tuer. Elle y parvient et renonce finalement à tuer Trask grâce à Xavier, ce qui fait d'elle une héroïne aux yeux des humains.
Dans le monde futur, les Sentinelles débusquent les mutants cachés dans un temple en Chine. Un combat s'engage alors, et Iceberg, Bishop, Tornade, Solar, Colossus et Blink sont tués. Xavier, Magnéto, Kitty et Wolverine se retrouvent à la merci des Sentinelles qui s'apprêtent à les consumer mais comme, cinquante ans plus tôt, Mystique a renoncé à son projet d'assassinat, le futur apocalyptique est effacé de la ligne temporelle.

Logan reprend ses esprits dans l'école de Xavier où les cinquante dernières années écoulées n'ont rien à voir avec la vie qu'il a connue. Les mutants vivent en harmonie avec les humains, et tous les X-Men sont vivants, y compris Scott et Jean Grey. Bobby et Malicia sont toujours ensemble, et Kitty est devenu professeur.