1975年的美國，時年6歲的琴·格雷與父母開車出行。母親開車，同時收音機裡放著歌曲。但琴不喜歡播放的歌曲，於是操控意念給收音機換了臺，母親發現後將電臺調回來，但又被琴換臺。這時琴的腦海中出現大量雜音，琴控制不住自己的能力，大喊一聲：“安靜！”隨即釋放出衝擊波使車子失控，發生車禍。琴的父母當場死亡。而琴的身上因為有意念力形成的保護罩使琴免於受傷。

在警局，年輕的、還有頭髮的X教授找到了年幼的琴。@影劇生活 公號眾 他拿出一根筆，送給了琴，並教導她：“這根筆是一個饋贈，你可以用它畫出一幅美麗的圖畫，或者你也可以用它戳瞎別人的眼睛。怎樣使用這個饋贈，決定權在你。”經過勸說，X教授收留了琴，並將她帶回了變種人學校。

鏡頭一轉來到1995年。美國的航天發射場，奮進號太空梭剛剛升空，地面的控制人員在高空檢測到一個類似太陽耀斑的巨大能量，隨即飛船失聯。美國總統秘密給X教授打電話，要求出動X戰警前去營救下落不明的宇航員。X教授隨即派魔形女擔任隊長，帶著琴·格雷、鐳射眼、藍惡魔、風暴女、快銀、野獸幾人駕駛X戰警的飛船飛入太空執行營救任務。

眾人到了太空看到一大團暗紅色的能量團在大肆湧動，而太空梭就在能量團的邊緣搖搖欲毀。藍惡魔帶著快銀傳送到飛機，將座艙內的6名宇航員系悉數救出。但被救出的宇航員說還有一個機長沒被救出。當時太空梭幾乎已經被能量吞噬，魔形女因為覺得太過危險不想救剩下的那名機長。但X教授堅持要將所有人救出。不得已，魔形女派琴·格雷與藍惡魔再次飛入太空梭搜救機長。琴在飛機內用自己的意念力抵抗那股能量維持住飛機的形體，同時藍惡魔去救人。但在藍惡魔將人救出後，那股能量瞬間爆發直接衝向琴，@影劇生活 公號眾 琴瞬間化成一片火海。為了不讓擴散的爆炸能量傷到X戰警的飛船，琴用僅存的意識將全部的能量導向了自己，瞬間發生了大爆炸。爆炸過後，藍惡魔將琴的“屍體”帶回了飛船。但琴不久後竟然自己甦醒了過來。眾人虛驚一場。

回到地球，X戰警因為營救了宇航員而受到英雄一般的禮遇。但魔形女與X教授爆發了激烈的衝突。X教授為了讓人類接納變種人，常常讓X戰警委曲求全，自己陷入危險境地；而魔形女則認為X教授應該多考慮一下變種人自己的安危。野獸漢克對琴進行了體檢，發現琴的能量大幅增加了，其能量高到現有的儀器根本測不出來。。。

晚上，在一個湖邊，三個不明物體悄然降落。一群德巴力星人從中出現，它們殺害了附近一群正在聚餐的人們，並化裝成他們的模樣。X戰警的營地內，眾人正在舉行篝火派對慶祝任務勝利。琴發現自己的各種興趣、衝動比以前強了不少。在喝下無數杯酒後，周圍嘈雜的人聲讓琴再次失控，她釋放出巨大的衝擊波，將周圍的樹震斷，將人擊飛，而琴自己也失去意識昏倒在地。正在受邀參加國宴的X教授透過心靈感應察覺到了琴的異樣於是匆忙返回。@影劇生活 公號眾

對著昏迷不醒的琴，X教授利用意識機器進入琴的思維。他發現琴的能量太過強大，以至於他在琴的腦中植入的一個“意識防火牆”瀕臨崩塌。琴甦醒後竭力將X教授排出自己的意識。隨後遵循自己意識中的呼喚，前去自己曾經的家。x教授直呼大事不妙，於是帶著眾人前去攔截。

琴回到自己曾經的家，卻在這裡見到了自己“已故”的父親。原來當年琴的父親在那場車禍中並沒有死去！被自己女兒的超能力深深震懾到的父親拋棄了琴，將琴託付給了X教授。X教授為了不讓童年的慘痛經歷以及被父親拋棄的真相影響到琴於是在她腦中植入了“父母在車禍中雙亡”的意識，用以保護琴。這就是琴腦海中的“意識防火牆”。但現在她突破了這層牆，自己發現了真相。

對自己害母親死亡、被父親拋棄、被x教授欺騙，同時擁有了一個自己不能掌控並且時常失控的巨大能量，琴陷入了極深的痛苦與困惑之中。這時，X戰警眾人趕到，x教授試圖安撫琴。但這時警車不合時宜的開到現場，被警笛聲弄得心煩意亂的琴再次失控，釋放能量掀翻了警車。藍惡魔見狀，瞬間移動上去想阻止琴，但被琴用能力操縱牆壁砸了過來。快銀也衝了上去，但沒想到琴的意念力比他速度還快，被甩到了一邊重傷倒地。這時魔形女走了出來，繼續安撫琴。但琴再一次失控放出巨大的衝擊波，將魔形女撞到了裸露的鋼筋上，直接刺穿身體死亡。琴再也受不自己了，於是趕忙飛離了現場。x戰警則帶著魔形女的屍體和重傷的快銀回到了基地。

琴來到了一處莊園。在這裡見到了另一支變種人的領袖——萬磁王@影劇生活 公號眾 。萬磁王看到了琴身上的血跡，一直逼問琴那到底是誰的血跡。這時軍方的人乘兩架直升機趕到這裡，要求萬磁王交出琴。萬磁王拒絕了他，但這時琴卻自己從屋中走了出來。琴用意念力直接摧毀了一架軍方來時乘坐的飛機，並且還想摧毀第二架。萬磁王不想讓琴濫殺無辜，於是用自己的磁力對抗琴的意念力，拼盡全力將飛機中軍方的人悉數救出。見琴惹了事，萬磁王很生氣於是驅逐了琴。琴這下得罪了x教授與萬磁王兩支變種人和人類，孤立無援。

在酒吧中，化裝成女探員的德巴力人找到了正在買醉的琴，她告訴琴她不是一般人，她不會被這種能量嚇到，她能夠幫助琴。於是琴信以為真，和她來到了位於紐約的德巴力人總部。在這裡女探員德巴力人向琴展示了這種能量的淵源。這種能量是宇宙之中一種強大、純粹、被稱為“鳳凰之力”的能量。這種能量很強，所到之處灰飛煙滅。德巴力人的母星就是被鳳凰之力摧毀的。而流落到地球的德巴力人則是追蹤到鳳凰之力的訊號後，來到這裡研究如何駕馭這股力量的，然後再用這股力量東山再起的。鳳凰之力來到地球，不是偶然，而是琴的與眾不同的體質吸引鳳凰之力來此的，琴會註定吸收鳳凰之力。德巴力人繼續蠱惑琴，讓琴與自己為伍，而與x教授、萬磁王等人劃清界限。琴信以為真，傻傻上鉤。

在X戰警基地內，痛失女友魔形女的野獸對琴恨之入骨，於是他擅自駕駛飛船來到了萬磁王的莊園，將琴殺了魔形女的事告訴了萬磁王。萬磁王這下知道琴衣服上的血跡是誰的了。X戰警中，是x教授、萬磁王、魔形女三人最開始召集各路變種人，四處為變種人的利益奔走，才有了今天的規模。這三人之間有著非比尋常的情誼，因此得知老戰友魔形女被殺，萬磁王怒火攻心，帶上自己標誌性的頭盔，帶上小弟，@影劇生活 公號眾 與野獸一起前去紐約準備殺琴。而x教授一邊，也感知到了琴在紐約，但x教授始終堅信琴是善良的，他希望能將琴勸說回來，於是帶上X戰警眾人也前去紐約找琴。就這樣，三路人馬會師紐約。

在紐約德巴力人的秘密總部前，萬磁王等人遇到了X教授等人。萬磁王與野獸一心想衝進去殺了琴，X戰警眾人則奮力阻止他倆。眾人打作一團。見雙方打的難捨難分，萬磁王放了個大招，將地下的一輛地鐵拉了出來，封住了道路，阻止了X戰警眾人。自己則進入房子，見到了琴。萬磁王將屋內的金屬扶手變成長矛，想刺死琴，但琴輕鬆化解了長矛的攻擊。琴用意念力將萬磁王拉到空中，將他標誌性的頭盔碾成碎片，然後將萬磁王丟出了屋子。x教授此時進來了，他仍在勸說琴，但琴在德巴力女探員的蠱惑下根本聽不進去，她碾壞了x教授的輪椅，用意念力像提線木偶一樣的操控著x教授一步一步的走到她的面前。為了讓琴知道真相，x教授放棄了心理防線，讓同樣具有心靈感應力的琴進入他的意識，看看他的腦海。在x教授的腦海中，琴看到了雖然x教授欺騙了自己，但他也確實真心想幫助琴。琴被感動了，立場開始動搖。德巴力女探員趕緊上前蠱惑琴，讓琴放棄鳳凰之力。@影劇生活 公號眾 琴同意了於是女探員開始吸收琴的鳳凰之力。在女探員吸的正爽的時候，她一不小心把要消滅地球人的計劃說漏嘴了。這時鐳射眼趕來，一炮擊飛了女探員，救下了琴。但這時人類的特殊部隊趕到，將現場所有變種人包括琴，全部戴上枷鎖，送上一輛特製列車，押送至特製監獄進行收監。

嚐到了鳳凰之力甜頭的德巴力人不願這樣放棄鳳凰之力，於是，一群德巴力人開始進攻列車。德巴力人是外星生物，具有自愈能力，身手又敏捷，人類的武器對他們根本沒用。人類守軍紛紛敗退。情急之下，最後的守軍不得已，打開了變種人身上的枷鎖，於是x教授麾下的x戰警與萬磁王麾下的變種人結成抗敵統一戰線，協力對抗德巴力人。德巴力人雖然對付人類綽綽有餘，但對於掌握各種特異功能的變種人就沒什麼勝算了。趁著打鬥間隙，鐳射眼護送著x教授前去關押著琴的車廂，試圖解救琴。在意識的世界中，琴與x教授相見，二人推心置腹、冰釋前嫌，琴決定為x戰警而戰。這時，德巴力人的雜兵清理的差不多了，但這時，之前吸收了鳳凰之力的德巴力女探員趕了過來。風暴女釋放閃電攻擊女探員，但閃電在鳳凰之力面前毫無作用。女探員甚至吸收了閃電然後混合著鳳凰之力一起射向了風暴女。風暴女倒地昏迷。藍惡魔瞬間移動上去，但也無濟於事，被女探員打翻在一邊。接下來就是萬磁王了，萬磁王用磁力控制了車上的所有槍炮，對著女探員貼臉一通猛射，雖然延緩了女探員前進的腳步，但終究還是擋不住。這時，覺醒成為鳳凰女的琴·格雷控制巨大的力量直接將整輛列車炸成碎片，同時還用能量罩保護了所有變種人。

眾人到了車外。殘餘的德巴力人對鳳凰女發起了攻擊，@影劇生活 公號眾 但鳳凰女只是一揮手就讓他們全部化成了灰。這時女探員出現了，她與鳳凰女面對面鬥法。鳳凰女釋放能量，她就吸收能量。雖然鳳凰女能夠透過釋放巨量的，她吸收不了的能量來摧毀女探員。但這樣一來周圍的x教授等友軍也會化成灰。於是琴抓著女探員縱身一躍飛入了太空。在這裡琴肆無忌憚的釋放了全部鳳凰之力，女探員無法一下吸收如此多的能量於是在鳳凰之力中化成了灰。而鳳凰女也因此失去了自己琴·格雷的人形態，從此只能以鳳凰之力的能量形態四處遊蕩了。

地球上，眾人躲過一劫，生活繼續向前。x教授從x學校退休，新任校長由野獸擔任。萬磁王也與x教授選擇了和解。其他人也繼續著自己的生活。天空中時不時略過一團形狀像鳳凰的火焰。全片完。