В 1944 году, в оккупированной Польше, доктор Клаус Шмидт становится свидетелем того, как юный Эрик Леншерр согнул металлические ворота, после того как нацистские солдаты разлучили его с матерью. В своём кабинете Шмидт предлагает Эрику сдвинуть с места металлическую монету, но после нескольких попыток монета не двигается. Шмидт приводит в кабинет мать Эрика и, сосчитав до трёх, убивает её у него на глазах, позже объяснив это тем, что гнев открыл его дар. Эрик впадает в ярость и убивает двух охранников, сжав на головах их металлические каски, а так же производит погром в двух комнатах при помощи своей способности управлять металлом, и это приводит Шмидта в восторг. В то же время, в особняке в Уэстчестере, Нью-Йорк, юный Чарльз Ксавьер встречает девочку по имени Рэйвен, которая способна менять свой внешний облик. Обрадовавшись, что он встретил кого-то ещё, не такого, как все, Чарльз демонстрирует Рэйвен свои способности телепата и приглашает её жить в их особняке.

Спустя почти 20 лет, в 1962 году, уже взрослый Эрик Леншерр начинает выслеживать бывших нацистских офицеров, пытаясь узнать у них, где находится Шмидт. В то же время, в Англии, Чарльз Ксавьер (Джеймс Макэвой) заканчивает Оксфордский университет, защищает диссертацию на тему мутаций человека, а его приёмная сестра Рэйвен живёт вместе с ним и работает официанткой. В Лас-Вегасе, штат Невада, агент ЦРУ Мойра Мактаггерт осуществляет слежку за «Клубом адского пламени». Мойра проникает внутрь вслед за полковником Хендри, где видит Себастьяна Шоу (он же доктор Шмидт), Эмму Фрост, Азазеля и Риптайда во время демонстрации их способностей. Шоу угрожает Хендри, заставляя разместить ракеты «Юпитер» в Турции, после чего Азазель телепортирует его в генштаб США по вопросам войны с СССР, где он предлагает разместить ракеты. Мойра сообщает по телефону, что Хендри был в «Клубе адского пламени», однако её коллега не верит ей, утверждая, что так быстро попасть в штаб из Лас-Вегаса невозможно. Мойра и её напарник решают найти специалиста по генетическим мутациям.

Мойра приезжает в Англию, где знакомится с Чарльзом Ксавьером. Вместе с ним и Рэйвен она пытается убедить ЦРУ, что мутанты существуют и Себастьян Шоу представляет угрозу. После того, как Рэйвен демонстрирует свои способности, ЦРУ поручает своему сотруднику, имя которого не называется, заниматься вопросом мутантов. Ксавьеру удаётся выследить местонахождение Шоу, и когда он прибывает туда, он спасает Эрика Леншерра, который так же нашёл Шоу и хотел отомстить. Когда Эрик пытался догнать его подводную лодку, Чарльз убедил его, что тот может погибнуть. Вместе с Леншерром и агентом, Ксавьер прибывает в секретный отдел ЦРУ под названием «Отдел Икс», где встречается с молодым учёным Хэнком Маккоем, который тоже обладает мутацией — невероятно цепкими ступнями-кистями и феноменальным интеллектом. Рэйвен начинает сближаться с Хэнком, и в разговоре о мутациях, он обещает, что найдёт лекарство, которое позволит им больше не прятаться и быть нормальными. Хэнк показывает Чарльзу своё устройство — Церебро, которая вместе с телепатией Чарльза может определить местонахождение других мутантов для обучения и борьбы с Шоу. Ксавьер и Леншерр находят танцовщицу, Энджел Сальвадор, таксиста Армандо Муньоза, заключённого на военной базе Алекса Саммерса, подростка Шона Кэссиди, который создает мощные ультразвуковые волны. Мутация Энджел — крылья на спине, и она берёт псевдоним Ангел; Армандо способен адаптироваться к внешней ситуации или среде, и берёт псевдоним Дарвин; Алекс может генерировать и метать плазменные кольца (позже — лучи), и берёт псевдоним Хавок; Шон способен издавать звуковые волны разрушительной силы, позволяющие также и летать, и берёт кодовое имя Банши; Рэйвен просит называть её Мистик. Также, они дают кодовые имена Чарльзу и Эрику — Профессор Икс и Магнито соответственно.

Мойра Мактаггерт вместе с Ксавьером и Эриком отправляются на военную базу в России, чтобы выследить Шоу. Там они видят только Эмму Фрост с генералом. Ксавьер проникает в сознание солдата, охраняющего вход в особняк и узнаёт со слов Эммы, разговаривающей с генералом, что Шоу тут нет. Эрик говорит Ксавьеру, что Эмма Фрост правая рука Шоу и направляется в особняк, чтобы разобраться с ней. От неё они узнают, где находится Себастьян Шоу, а после отдают её ЦРУ. Между тем, Шоу, Азазель, Риптайд атакуют Отдел Икс, где находятся молодые мутанты. Шоу предлагает им присоединиться к нему. Ангел принимает предложение, а Дарвин пытается спасти её, но Шоу, обладая способностью поглощать энергию, поглощает плазменный луч Хавока и убивает им Дарвина. Отдел Икс уничтожен, и Ксавьер решает переехать в свой семейный особняк, где он подготавливает мутантов, учит управлять своими способностями, а также помогает Леншерру научиться контролировать магнетизм не только при помощи гнева.

Слева направо: Профессор Икс, Банши, Хавок, Магнито и Мистик перед отправкой на место предполагаемого запуска ракет.

Президент США Джон Кеннеди сообщает в телеобращении, что страна устанавливает блокаду, чтобы сдержать СССР от установки своих ракет на Кубе. Узнав это советские генералы отправляют флот на Кубу. Себастьян Шоу намеренно подал советским генералам эту идею, в надежде развязать третью мировую войну. Решив, что Шоу будет на месте линии блокады, чтобы лично присутствовать на запуске ракет СССР, Ксавьер решает отправиться туда и попытаться не дать Шоу запустить советские ракеты. В ночь перед этим, Хэнк Маккой приносит Мистик лекарство, которое, по его мнению, способно излечить от мутации и сделать их внешне такими же, как все. Мистик, которая поговорив с Леншерром и даже завязав с ним романтические отношения, начала гордиться своей мутацией и синей кожей, отказывается, а Хэнк принимает лекарство, которое только усугубляет его мутацию, а не уменьшает её — он покрывается синей шерстью и становится похож на зверя, после чего Хавок предлагает ему взять псевдоним «Зверь».

Прибыв на линию блокады на самолёте, управляемом Зверем и Мойрой Мактаггерт, Ксавьер и другие мутанты узнают, что Шоу находится в подводной лодке в шлеме, защищающем его от телепатии, а сухогруз переправляющий ядерные ракеты на Кубу очень недалеко от линии блокады и отказывается выполнять приказы кремля о возвращении в порт Одесса. С помощью телепатии, Ксавьер проникает в сознание русского генерала, который находится на крейсере русских недалеко от Кубы, и тот нажимает на кнопку запуска ракет, которые направлены на сухогруз. Банши использует свои способности сонара и находит лодку Шоу, а Леншерр поднимает её в воздух, направляя к берегу. Тем временем Риптайд создаёт смерч, который повреждает самолёт и он вместе с подлодкой падают на берег. На берегу происходит битва между мутантами Шоу и Ксавьера. Эрик направляется в подлодку, Ксавьер «следует с ним» в его подсознании. Проникнув внутрь, происходит драка между Эриком и Шоу, в процессе которой повреждается защитное окружение комнаты, не позволявшее Ксавьеру «мысленно» пройти в неё. Эрик забирает антителепатический шлем Шоу, а его убивает той же монетой, которую Шмидт попросил его сдвинуть 20 лет назад.

Увидев то, как Леншерр поднимал подлодку, а Банши летал, корабли США и СССР запускают ракеты в мутантов, испугавшись их. Ксавьер пытается отговорить Леншерра от уничтожения кораблей путём разворота их же ракет на обратный курс. Происходит небольшая драка, в процессе которой часть ракет теряет управление и взрывается в воздухе или в воде. Мактаггерт стреляет в Эрика. Когда тот пытается отразить пули, одна из них случайно попадает в спину Чарльза. Леншерр пытается помочь ему, однако Чарльз говорит, что это случилось по его вине. Терзаемый угрызениями совести, Леншерр решает уйти. Он предлагает мутантам уйти вместе с ним и прекратить прятаться. Мистик соглашается, к нему также присоединяются Риптайд, Азазель, Ангел.

Позже, прикованный к инвалидному креслу, Чарльз говорит Мойре, что он намерен открыть школу для детей-мутантов в своём особняке. Она обещает не раскрывать это властям и позже в ЦРУ она говорит, что ничего не помнит о произошедших событиях. В финальной сцене, Леншерр, в новом костюме и новом шлеме, находит запертую в ЦРУ Эмму Фрост, предлагает ей присоединиться к нему, и называет себя Магнито.