影片說的是面對人類的追殺，變種人在查爾斯教授的組織領導下返回50年前努力改變命運的故事。

影片講述特拉斯克博士感受到了變種人對人類的威脅。於是在開高層和平會議的時候，申請製造新型的特種武器機器人哨兵來保衛人類和世界和平。哨兵能變身和改變戰鬥意識，是變種人的剋星。x 戰警遭遇了前所未有的危機，為了避免種族滅亡，他們必須回到過去拯救自己的命運。

幻影貓凱蒂運用自己的超能力，把金剛狼羅根的意識穿越到五十年前，查爾斯教授叮囑，一定要說服以前的自己和萬磁王再找到魔形女才能完成任務。於是，羅根的意識來到了一九七三年的自己的身上，先找到查爾斯教授，並說服他相信自己。

這邊魔形女變成特拉斯克的模樣，潛進他的辦公室看到裡面的資料，全都是變種人被暗殺的檔案資料，更增加了刺殺特拉斯克的決心，羅根和教授找到快人皮特，幾人來到國防部干擾了攝像監控系統。皮特裝成送飯的警察來到關押萬磁王埃裡克的地方，並用振動波把玻璃震碎救出了萬磁王。

埃裡克一行人又來找魔形女，正趕上特拉斯克開會展示哨兵計劃的實驗成果檢測到會議室內就有變種人，魔形女現身要殺了特拉斯克博士，被趕到的教授和羅根制止。這時埃裡克拿起槍要殺了魔形女。因為只要殺掉魔形女哨兵計劃就結束了，因為哨兵的能力都是根據魔形女的DNA研製的。魔仙女一看不好，馬上跳窗逃走，但埃裡克已經開了槍，因為他有控制金屬的能力，子彈拐彎打中了魔形女的小腿，就在埃裡克要殺魔形女時，狼人漢克出現了和埃裡克打了起來，魔形女瑞雯趁機逃走。

在地下通道中，瑞雯把埃裡克抓住，並逼問他為什麼要追殺她，埃裡克說出真相，並說殺不殺她已經不重要了，因為特拉斯克已經在魔形女受傷的地方提取到了她的DNA 血樣。而這一切都是埃裡克造成的，特拉斯克的研究又又有了進一步的進展。如果能弄到魔星女的骨髓就能讓哨兵看到對手而變形，到時戰鬥力會大幅度的提升。

而羅根為了給查爾斯增加信心，讓他讀取了自己的資訊，並和五十年後的自己對話。給了年輕查爾斯教授期望。而埃裡克則正在醞釀著另一個驚天計劃，偷偷的將鐵軌變成一條條的金屬條滲透到了正在運送的哨兵的身體裡，讓他們關鍵時刻聽自己指揮。

查爾斯在家裡用資訊波找到了去華盛頓特區實施復仇計劃的魔形女，並勸她收手回家，殺戮不能解決一切。雙方戰到最後可能什麼都不剩，而只有我們聯手才能改變這一切，魔形女卻沒聽教授的話。沒辦法，幾個人只得坐飛機趕到華盛頓特區，要阻止瑞雯。

而萬磁王埃裡克舉著一座田徑場，前來，並激活了哨兵來到華盛頓特區，準備殺掉特拉斯克和總統。魔形女關鍵時刻領悟了查爾斯教授的講話精髓，阻止了埃裡克的濫殺行動。在查爾斯的勸說下放下槍走了，而查爾斯和羅根的努力終於沒有白費。變種人與人類同在一起並和平相處。

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