História completa
O filme abre com dois flashbacks. Em 1986, Charles Xavier e Erik Lehnsherr visitam juntos a casa da pequena Jean Grey para convidá-la à escola. Dez anos depois, o jovem Warren Worthington III tenta cortar as próprias asas no banheiro, e o pai descobre que o filho é mutante.
No presente, a empresa de Warren Worthington II anuncia uma “cura” para o gene mutante, feita a partir de um garoto chamado Jimmy, o Sanguessuga, que anula poderes de quem chega perto dele. A notícia racha a comunidade. Vampira, que não pode tocar ninguém, pensa seriamente em tomar a cura. Magneto reúne uma nova Irmandade e promete guerra. Quando um comboio tenta levar Mística presa, ele a liberta, mas ela leva um dardo da cura no lugar dele, perde os poderes e é abandonada. Mais tarde, ela entrega ao governo onde Magneto está escondido.
Ciclope, ainda arrasado, volta ao Lago Alkali e encontra Jean viva. Ela o beija e ele desaparece. Wolverine e Tempestade a levam inconsciente para a mansão, e Xavier explica: anos atrás ele bloqueou uma segunda personalidade dentro dela, a Fênix, com poder quase ilimitado. Jean acorda, foge para a casa da família e lá se encontra com Magneto e com Xavier. A Fênix toma conta e desintegra o Professor diante de todos. Jean vai embora com a Irmandade.
Sem o mentor, os X-Men se reorganizam sob o comando de Tempestade, com Fera de volta à equipe. Magneto ataca a ilha de Alcatraz, onde fica a base da cura. Ele arranca a Golden Gate do lugar para criar uma ponte até a ilha. Os X-Men seguram a linha, Fera acerta Magneto com dardos da cura e ele perde os poderes. Jean, descontrolada, começa a desfazer tudo em volta. Só Logan consegue chegar até ela, regenerando a cada passo. Num último momento de lucidez, Jean pede que ele a salve, e Logan a mata com as garras.
No fim, Tempestade assume a escola, Fera vira embaixador na ONU e Vampira volta curada para Bobby. Num parque, Magneto, sozinho, faz uma peça de xadrez de metal se mexer um pouco: o efeito da cura talvez não seja permanente. Depois dos créditos, Moira MacTaggert atende um paciente em coma, e ele a cumprimenta com a voz de Xavier. Isso fica em aberto.