8살 소녀 진 그레이는 비극적인 교통사고를 계기로 자신의 특별한 능력을 알게 된다. 찰스 자비에 교수 (제임스 맥어보이)의 가르침을 받으며 엑스맨의 핵심 멤버로 성장한 진(소피 터너)은 우주에서 구조 임무를 수행하던 중 태양 플레어에 노출되는 사고를 당한 뒤, 모든 것을 초월하는 강력하고 파괴적인 힘을 지닌 ‘다크 피닉스’로 변화한다. 뜻밖의 사태로 인해 찰스와 레이븐(제니퍼 로랜스) 사이의 갈등이 깊어지는 가운데, 진은 찰스가 자신의 정신을 조작해 기억을 봉인했음을 알게 된다. 분노한 진은 폭주하고, 그녀를 진정시키려던 레이븐은 죽음을 당한다. 죄책감에 괴로운 진은 매그니토(마이클 패스벤더)를 찾아갔다가 내쫓기고 만다. 모두에게 버림받은 진에게 외계에서 온 부크(제시카 차스테인)가 접근한다. 그녀의 속셈은 진의 힘을 이용하여 지구를 파괴하고 자신의 종족을 재건하려는 것인데…