В 1944 году, в оккупированной Польше, доктор Шмидт (Кевин Бэйкон) становится свидетелем того, как юный Эрик Лэншерр (Билл Милнер) согнул металлические ворота, после того, как нацистские солдаты разлучили его с родителями. В своём кабинете, Шмидт просит Эрика сдвинуть с места металлическую монету, но после нескольких попыток монета не двигается, Шмидт приводит в кабинет мать Эрика и убивает её у него на глазах, объяснив это тем, что ему нужен был стимул. Эрик впадает в ярость и убивает двух охранников, сжав на головах их металлические каски, а так же разрушает две комнаты при помощи своей способности управлять металлом, и это приводит Шмидта в восторг. В то же время, в особняке в Уэстчестере, Нью-Йорк, юный Чарльз Ксавьер (Лоуренс Белчер) встречает девочку по имени Рейвен (Морган Лили), которая способна менять свой внешний вид. Обрадовавшись, что он встретил кого-то ещё, не такого, как все, Чарльз демонстрирует Рейвен свои способности телепата и приглашает её жить в их особняке.
Спустя почти 20 лет, в 1962 году, уже взрослый Эрик Леншерр (Майкл Фассбендер) начинает выслеживать бывших нацистских офицеров, пытаясь узнать у них, где находится Шмидт. В то же время, в Англии, Чарльз Ксавьер (Джеймс Макэвой) заканчивает Оксфордский университет, публикует диссертацию на тему мутаций человека, а его приёмная сестра Рейвен (Дженнифер Лоуренс) живет вместе с ним и работает официанткой. В Лас-Вегасе, штат Невада, агент ЦРУ Мойра МакТаггерт (Роуз Бирн) осуществляет слежку за Клубом Адского Пламени. Мойра проникает внутрь вслед за полковником Хендри, где видит Себастьяна Шоу (он же доктор Шмидт), Эмму Фрост (Дженьюари Джонс), Азазеля (Джейсон Флемминг) и Риптайда (Алекс Гонзалес) во время демонстрации их способностей. Шоу угрожает Хендри, заставляя разместить ракеты в Турции, после чего Азазель телепортирует его в генштаб США по вопросам войны с СССР, где он предлагает разместить ракеты. Мойра сообщает по телефону, что Хендри был в Клубе Адского Пламени, однако её коллега не верит ей, утверждая, что так быстро попасть в штаб из Лас-Вегаса невозможно. Мойра и её напарник решают найти специалиста по генетическим мутациям.
Мойра приезжает в Англию, где знакомится с Чарльзом Ксавером. Вместе с ним и Рейвен они пытаются убедить ЦРУ, что мутанты существуют и Себастьян Шоу представляет угрозу. После того, как Рейвен демонстирует свои способности, ЦРУ поручает своему сотруднику, имя которого не называется, заниматься вопросом мутантов. Ксаверу удается выследить местонахождение Шоу, и когда он прибывает туда, он спасает Эрика Леншерра, который так же нашел Шоу и хотел отомстить. Когда Эрик пытался поднять его подводную лодку, Чарльз убедил его, что он может погибнуть. Вместе с Леншерром и агентом, Ксавьер прибыл в сектерный отдел ЦРУ под названием Отдел Икс, где встречается с молодым ученым Хэнком МакКоем (Николас Холт), который тоже обладает мутацией — невероятно цепкими ногами. Рейвен начинает близко общаться с Хэнком, и в разговоре о мутациях, он обещает, что найдёт лекарство, которое позволит им не прятаться и быть нормальными. Хэнк показыват Чарльзу свою машину — Церебро, которая вместе с телепатией Чарльза может определить местонахождение других мутантов, для обучения и борьбы с Шоу. Ксавьер и Леншерр находят танцовщицу, Энджел Сальвадор (Зои Кравиц), таксиста Армандо Муньоза (Эдди Гатеги), заключенного на военной базе Алекса Саммерса (Лукас Тилл), подростка Шона Кэссиди (Калеб Лендри Джонс), который управляет рыбами в аквариуме. Мутация Энджел — крылья на спине и она берет псевдоним Ангел; Армандо способен адаптироваться к внешней ситуации или среде и берет псевдоним Дарвин; Алекс может генерировать плазменные лучи и берет псевдоним Хавок; Шон издает звуковые волны разрушительной силы, позволяющие так же и летать, и берет кодовое имя Банши; Рейвен просит называть её Мистик. Также они дают кодовые имена Чарльзу и Эрику — Профессор Икс и Магнито.
Эмма Фрост встречается с одним из советских генералов, но Ксавьер и Леншерр находят её и узнают, где находится Себастьян Шоу, а после отдают её ЦРУ. Между тем, Шоу, Азазель, Риптайд атакуют Отдел Икс, где находятся молодые мутанты. Шоу предлагает им присоединиться к нему. Ангел принимает предложение, а Дарвин пытается спасти её, убив Азазеля, но Шоу, обладая способностью поглощать энергию, поглощает плазменный луч Хавока и убивает им Дарвина. Отдел Икс уничтожен, и Ксавьер решает переехать в свой семейный особняк, где он подготавливает мутантов, учит управлять своими способностями, а также помогает Леншерру научиться контролировать свои не только при помощи гнева.
Президент США Джон Кеннеди сообщает в телеобращении, что страна устанавливает блокаду, чтобы сдержать СССР от установки своих ракет на Кубе. Себастьян Шоу намеренно подал советским генералам эту идею, в надежде развязать третью мировую войну. Решив, что Шоу будет на месте линии блокады, чтобы лично присутствовать на запуске ракет СССР, Ксавьер решает отправиться туда и попытаться не дать Шоу запустить советские ракеты. В ночь перед этим, Хэнк МакКой приносит Мистик лекарство, которое, по его мнению, способно излечить от мутации и сделать их внешне такими же, как все. Мистик, которая поговорив с Леншерром и даже завязав с ним романтические отношения, начала гордиться своей мутацией и синей кожей, отказывается, а Хэнк принимает лекарство, которое только усугубляет его мутацию, а не уменьшает её — он покрывается синей шерстью и становится похож на зверя, после чего Хавок предлагает ему взять псевдоним Зверь.
Прибыв на линию блокады на самолете, управляемом Зверем и Мойрой МакТаггерт, Ксавьер и другие мутанты узнают, что Шоу находится в подводной лодке в шлеме, защищающим его от телепатии. С помощью телепатии, Шоу приказывает кораблям запустить ракеты. Банши использует свои способности сонара и находит лодку Шоу, а Леншерр поднимает её в воздух и транспортирует на землю. Проникнув внутрь, Эрик забирает антителепатический шлем Шоу, а его убивает той же монетой, которую он попросил его сдвинуть 20 лет назад.
Увидев то, как Леншерр поднимал подлодку, а Банши летал, флот отправлят ракеты в мутантов, испугавшись их. Ксавьер пытается отговорить Леншерра от уничтожения флота путем разворота своих же ракет на обратный курс, и МакТаггерт стреляет в Эрика. Когда тот пытается отразить пули, одна из них случайно попадает в спину Чарльза. Леншерр пытается помочь ему, однако Чарльз говорит, что это случилось по его вине. Терзаемый угрызениями совести, Леншерр решает уйти. Он предлагает мутантам уйти вместе с ним и прекратить прятаться и Мистик соглашается.
Позже, прикованный к инвалидному креслу Чарльз говорит Мойре, что он намерен открыть школу для детей-мутантов в своём особняке. Она обещает не раскрывать это властям и говорит ЦРУ, что ничего не помнит о произошедших событиях. В финальной сцене, Леншерр, в новом костюме и новом шлеме, находит запертую в ЦРУ Эмму Фрост, предлагает ей присоединиться к нему и называет себя Магнито.