En un futuro distópico, la humanidad está al borde de la extinción. Los mutantes han sido diezmados por los Centinelas, robots creados por el hombre para cazar y eliminar a los humanos con poderes especiales. Un grupo de supervivientes, liderados por Wolverine (Hugh Jackman), decide enviar a su conciencia al pasado, al año 1973, con la misión de encontrar a un joven Charles Xavier (James McAvoy) y persuadirlo de que abandone su sueño de coexistencia pacífica entre humanos y mutantes.