História completa
O filme abre na Casa Branca. Um mutante de pele azul que se teletransporta passa pelos seguranças e quase mata o presidente dos Estados Unidos. É Kurt Wagner, o Noturno, e ele estava sendo controlado. O ataque dá ao coronel William Stryker, um militar obcecado por mutantes, a autorização para invadir a escola de Xavier. Enquanto isso, Logan volta de Alkali Lake sem respostas, e Jean Grey sente o poder crescer de um jeito que ela não controla.
Xavier e Ciclope visitam Magneto na prisão de plástico e descobrem que Stryker extraiu informações dele com um soro. Na volta, os dois são capturados. Na mesma noite, as tropas de Stryker invadem a mansão e levam vários alunos. Logan protege os jovens, e Homem de Gelo, Vampira e Pyro escapam com ele. Stryker diz conhecer Logan e insinua que ajudou a criá-lo. Mística, disfarçada, seduz um guarda, injeta metal no sangue dele e Magneto foge da prisão.
Tempestade e Jean encontram Noturno, um ex-artista de circo gentil e religioso. Logan e os garotos param em Boston, na casa da família do Homem de Gelo, que não sabia do segredo do filho. O irmão chama a polícia e Pyro perde a cabeça e solta fogo nos policiais. O avião dos X-Men é atacado, e Magneto aparece para salvá-los. Ele propõe uma trégua e explica o plano: Stryker construiu um segundo Cérebro em Alkali Lake e vai usar o filho, Jason, um mutante que controla mentes, para forçar Xavier a matar todos os mutantes do planeta.
Os dois grupos invadem a base. Wolverine encontra o laboratório onde ganhou o adamantium e luta contra Lady Deathstrike, que tem garras e cura iguais às dele. Ele vence injetando adamantium líquido nela. Jean derrota um Ciclope sob lavagem cerebral e acaba rompendo a represa. Magneto e Mística chegam ao Cérebro, mas mudam o alvo: agora a máquina vai matar todos os humanos. Tempestade e Noturno libertam Xavier e quebram o controle de Jason. Magneto foge com Mística e leva Pyro junto. Stryker fica acorrentado e morre na enchente.
A represa estoura e o avião não decola. Jean sai da nave, segura a água com a mente e ergue o avião, ficando para trás. Ela some no lago. Xavier e os X-Men entregam os arquivos de Stryker ao presidente e pedem paz. Na última imagem, a sombra de um pássaro de fogo aparece sob as águas do lago.