No futuro, os mutantes são caçados impiedosamente pelos Sentinelas, gigantescos robôs criados por Bolívar Trask (Peter Dinklage). Os poucos sobreviventes precisam viver escondidos, caso contrário serão também mortos. Entre eles estão o professor Charles Xavier (Patrick Stewart), Magneto (Ian McKellen), Tempestade (Halle Berry), Kitty Pryde (Ellen Page) e Wolverine (Hugh Jackman), que buscam um meio de evitar que os mutantes sejam aniquilados. O meio encontrado é enviar a consciência de Wolverine em uma viagem no tempo, rumo aos anos 1970. Lá ela ocupa o corpo do Wolverine da época, que procura os ainda jovens Xavier (James McAvoy) e Magneto (Michael Fassbender) para que, juntos, impeçam que este futuro trágico para os mutantes se torne realidade.