Di tahun 2023 yang suram dan penuh kekacauan, robot pemburu bernama Sentinel membantai para mutan, termasuk manusia yang punya potensi genetik melahirkan mutan atau yang mencoba melindungi mereka. Di Moskow, para Sentinel menyerang sisa-sisa X-Men: Kitty Pryde, Colossus, Blink, Warpath, Bishop, Iceman, dan Sunspot.

Demi menyelamatkan tim, para mutan rela berkorban agar Kitty punya cukup waktu mengirim kesadaran Bishop beberapa hari ke masa lalu untuk memperingatkan mereka soal serangan tersebut. Setelah serangan berhasil dicegah, kelompok ini bersembunyi di sebuah kuil terpencil di China dan bergabung dengan Storm, Logan, Charles Xavier, dan Magneto.

Xavier menjelaskan bahwa program Sentinel awalnya dirancang oleh Bolivar Trask, desainer senjata yang dibunuh Mystique pada tahun 1973. Pembunuhan itu justru membuat pemerintah menyetujui program Sentinel sepenuhnya, lalu menangkap dan menyiksa Mystique. DNA Mystique digunakan untuk menciptakan Sentinel yang bisa beradaptasi dengan kekuatan mutan apa pun.

Xavier pun berencana memakai kekuatan Kitty untuk kembali ke tahun 1973 dan mencegah pembunuhan Trask demi mengubah masa depan. Namun, perjalanan waktu sejauh itu bisa membunuh Xavier, sehingga Logan yang punya kemampuan regenerasi menawarkan diri sebagai relawan.

Logan terbangun di tahun 1973 dan langsung menuju X- Mansion. Di sana, ia tahu dari Hank McCoy bahwa sekolah mutan sudah lama ditutup akibat Perang Vietnam, dan Magneto dipenjara karena dituduh membunuh Presiden John F. Kennedy. Xavier muda ternyata berada di titik terendah hidupnya: depresi, kecanduan alkohol, dan menggunakan serum yang membuatnya bisa berjalan, tapi menghilangkan kekuatan telepatinya.

Demi menemukan Mystique dan memperbaiki masa depan, Xavier akhirnya setuju membantu Logan. Mereka merekrut Quicksilver, mutan super cepat, lalu membobol Pentagon untuk membebaskan Magneto. Dari situ terungkap fakta mengejutkan: Magneto sebenarnya berusaha menyelamatkan Kennedy, yang juga seorang mutan.