故事的设定发生在当下，变种人族群遭到了前所未有的毁灭性打击，而这一切的根源是“魔形女”瑞文（詹妮弗·劳伦斯 Jeife Lawece 饰）在1973年刺杀了玻利瓦尔·特拉斯克（彼特·丁拉基 Pete Diklage 饰）。在得知“幻影猫”（艾伦·佩吉 E lle Page 饰）利用穿越时空的能力帮助Blik（范冰冰 饰）等战友逃脱巨型机器人“哨兵”的追杀后，X教授（帕特里克·斯图尔特 Patick Stewat 饰）和万磁王（伊恩·麦克莱恩 Ia McKelle 饰）达成认同，决定让金刚狼（休·杰克曼 Hugh Jackma 饰）穿越回1973年，找到年轻的X教授（詹姆斯·麦卡沃伊 Jame McAvoy 饰）和年轻的万磁王（迈克尔·法斯宾德 Michael Fabede 饰）并说服他们一起阻止魔形女的行动。于是，金刚狼踏上了回到过去的旅程，但是命运会不会发生逆转，任何人都无从知晓。