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近未来的地球黄沙遍野，小麦、秋葵等基础农作物相继因枯萎病灭绝，人类不再像从前那样仰望星空，放纵想象力和灵感的迸发，而是每日在沙尘暴的肆虐下倒数着所剩不多的光景。在家务农的前NASA宇航员库珀接连在女儿墨菲的书房发现奇怪的重力场现象，随即得知在某个未知区域内前NASA成员仍秘密进行一个拯救人类的计划。多年以前土星附近出现神秘虫洞，NASA借机将数名宇航员派遣到遥远的星系寻找适合居住的星球。在布兰德教授的劝说下，库珀忍痛告别了女儿，和其他三名专家教授女儿艾米莉亚·布兰德、罗米利、多伊尔搭乘宇宙飞船前往目前已知

双腿受伤的尼克（布伦顿·思韦茨 饰）和女友海莉（奥利维亚·库克 饰）以及好哥们约拿（博·纳普 饰）正在进行一段喜乐参半的漫长旅行。在此之前，就读于麻省理工的他一直和约拿在追踪一个黑进学校网站的天才骇客，经过一段时间的努力，他们终于抓住骇客的踪迹。二人扬言揭发对方，谁知对方竟仿佛在他们身边监视着一样。旅途继续，夜幕降临，三人准备在一个废弃的小屋落脚。就在此时屋外传来海莉的呼救声，而尼克也被人重重击倒。当他再度醒来，只见到穿着防辐射衣服的陌生男子（劳伦斯·菲什伯恩 饰）在和他说话。此时此刻，他仿佛置身一个关于

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”瑞文在1973年刺杀了玻利瓦尔·特拉斯克。X教授和万磁王决定让金刚狼穿越回1973年，说服他们一起阻止魔形女的行动。

邪恶变种人兄弟会刺杀了罗伯特-凯利参议员(Robert Kelly)，结果导致在2013年的世界里，变种人全部被关押在集中营，处处受到巨型机器人“哨兵”(Sentinels)的追杀。为了改写历史，未来世界的Kitty Pryde(幻影猫，艾伦-佩吉饰)回到过去警告X战警，让他们阻止兄弟会的刺杀行动。不同年代的新老X战警们第一次相遇了。