돌연변이는 인간진화의 핵심요소이다. 인간은 작은 세포에서 지구상 가장 진화된 종으로 발전 시켰다. 그 과정은 매우 느려서 보통 까마득한 시간이 걸린다.그러나 수백년 마다 회기적인 진화가 이룩된다. 인류의 유전자 기술은 발전을 거듭하게 되고, 그 결과 초인간적인 초능력을 가진 새로운 변종의 돌연변이들이 생겨나게 된다. 유전자 변이를 통해 인간보다 더욱 진보된 지능과 운동신경 및 감각을 지닌 엑스맨들은 인류를 보호하고 인간의 생활을 윤택하게 하기위해 보이지 않는 곳에서 노력한다. 이들 엑스맨들은 텔레파시를 사용하며 날씨를 조작하기도 하고 강력한 에너지를 발사하는 등 인간의 능력을 초월한 특수한 능력을 갖고 있다. 그러나 그들의 가공할 능력은 은총이라기 보다 오히려 인간들에게 배척 받는 소외의 대상일 뿐, 정작 엑스맨의 초능력을 두려워한 인간들은 그들을 경계하며 적대시한다. 

즉 유전자 변이로 태어나 비범한 감각과 능력을 가진 엑스 맨들은 인간들로부터 오히려 경원 당한다.상원의원 로버트 켈리(브루스 데이비슨)를 중심으로 한 인간들은 돌연변이들의 위험성을 폭로하며 그들의 신원을 등록시켜 통제하는 법안을 통과 시키려고 한다. 이렇게 적대감이 고조되자 한때 친구 사이였던 돌연변이 지도자 찰스 사비(패트릭 스튜어트) 교수와 매그니토(이나 맥켈런)는 상반된 방법으로 대응에 나선다. 사비에가 엑스 맨들의 초능력으로 인류를 보호하고 공존하려고 이런 돌연변이들을 모아 인류사회에 적응시키고 인간을 위해 일할 수 있도록 교육기관을 설립해 그들을 훈련시킨다. 반면 폭력을 택한 매그니토는 등록 법안을 추진하는 상원의원 켈리를 납치해 UN 회담 현장에서 세계 정상들을 인위적 돌연변이로 만들려는 계획의 첫 단계를 시작한다.찰스 사비에 박스가 이끄는 엑스맨들은 매그니토의 음모를 저지하고자 이들과 맞서 싸우기로 하는데….

한편, 자기의 가공할 초능력을 발견하고 가출한 소녀 로그 마린(안나 파킨)은 기억을 상실한 괴력의 전사 로간 울버린(휴 잭맨)을 만나 사비에 교수의 엑스 맨 군단에 합류한다. 물론 오는 도중에 매그니토의 돌연변이들 세이버 투스(타일러 메인), 미스틱(레베카 로민), 토우드(레이 파크)등의 공격을 받아 위험에 처했지만 그사이에 달려와준 찰스의 돌연변이들 스톰(할리 베리)와 스콧(제임스 마스던)의 도움으로 목숨을 건진다.학교에 돌아와 건강을 되찾은 로건과 로그는 학교에 적응해간다. 한편 매그니토는 켈리의원을 납치하여 돌연변이로 만드는 과정에 탈출을 하여 찰스에게 찾아온다. 매그니토가 로그를 데려가려는 이유는 로그를 이용해 자신의 힘을 합쳐 기게그이 파워를 증가시킬 속셈이었다는것을 전해 듣는다.

하굑내에 미스틱이 숨어 들어와 로그에게 호감을 갖고 있는 바비를 통해 떠날것을 강요한다.로그가 말없이 떠나고 로건과 스톰, 스콧은 로그를 기차역으로 찾아 나선다. 로건은 로그를 만나 설득을 하고 스톰과 스콧은 로글ㄹ 데려가려고 나타난 대그니토 일행과 한바탕 싸우지만 결국 로그를  빼앗긴다.자유의 여신상에서 대전쟁 준비를 하고 있다는 정보를 입수하고 로그를 구하러 떠난다.로건, 스톰, 스콧은 매그니토의 세부하 세이버 투스, 미스틱, 토우드를 힘겨운 싸움끝에 간신히 처리하고 로건은은 로로글그를 구해내지만 로그의 흡수하는 힘에 의해 로건이 부상을 입는다. 매그니토는 잡혀 플라스틱 감옥에 갇히고 울버린은 건강을 되찾은후 몰래 떠나려 하다가 로그를 만난다. 로그에게 군번줄을 맡기며 꼭 돌아오겠다고하며 발길을 돌린다.