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（马修·麦康纳MatthewMcConaughey饰）接连在女儿墨菲（麦肯吉·弗依MackenzieFoy饰）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（迈克尔·凯恩MichaelCaine饰）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（安妮·海瑟薇AnneHathaway饰）、罗米利（大卫·吉雅西DavidGyasi饰）、多伊尔（韦斯·本特利WesBentley饰）搭乘宇宙飞船前往目前已知的最有希望的三颗星球考察。他们穿越遥远的星系银河，感受了一小时七年光阴的沧海桑田，窥见了未知星球和黑洞的壮伟与神秘。在浩瀚宇宙的绝望而孤独角落，总有一份超越了时空的笃定情怀将他们紧紧相连……

影片剧情围绕X战警中最受欢迎成员之一的琴·葛蕾展开，讲述她逐渐转化为黑凤凰的故事。在一次危及生命的太空营救行动中，琴被神秘的宇宙力量击中，成为最强大的变种人。此后琴·葛蕾不仅要设法掌控日益增长、极不稳定的力量，更要与自己内心的恶魔抗争，她的失控让整个X战警大家庭分崩离析，也让整个星球陷入毁灭的威胁之中。《X战警：黑凤凰》是迄今为止气氛最紧张、情感最丰富的一部《X战警》电影，是《X战警》系列20年来的集大成之作，大家非常熟悉和热爱的变种人大家庭即将面对最为强大的敌人——而她恰恰还是他们中的一员。

鲁斯（菲丽希缇·琼斯FelicityJones饰）渴望成为一名律师，并且凭借着自己的努力考上了哈佛大学的法学院。在法学院里，鲁斯因为身为女性而遭到了来自各方面的歧视和压力，只有他的丈夫马丁（艾米·汉莫ArmieHammer饰）坚定的支持着妻子的选择，因为他明白，鲁斯充满了天赋和正义感。马丁被查出患上了癌症，病愈之后，他带着孩子们前往纽约工作。为了能够和自己的家人们生活在一起，鲁斯向学校提出希望能够转去哥伦比亚大学完成学业，却被拒绝了。之后，鲁斯离开了哈佛，成为了罗格斯大学的法学教授，可即便她是这样的优秀，依然没有律师行肯聘用她，只因为她是一个女人。

年轻的X教授查尔斯（詹姆斯·麦卡沃伊JamesMcAvoy饰）和万磁王埃里克（迈克尔·法斯宾德MichaelFassbender饰）是一对志向相投的好朋友。他们最早发现了自己的超能力，并与其他几个变种人一起在CIA工作。引发埃里克超能力的纳粹战争贩子肖（凯文·贝肯KevinBacon饰）一直试图挑起核战争，而想方设法挑起美苏两国的矛盾。埃里克和查尔斯一直与肖手下的变种人战斗，努力阻止肖的阴谋。肖怂恿苏联引发古巴导弹危机，查尔斯和埃里克获知消息后，在海湾与肖手下的变种人拉开了对决的一战。最终，肖被查尔斯和埃里克合力消灭。可是，在这个过程中，埃里克逐渐被肖的政治观点影响，与查尔斯产生裂痕。通过海湾的这一战，埃里克和查尔斯最终决裂，一方变成支持人类与变种人和平共存的X教授；另一方坚持通过消灭人类换来变种人兴起的观点，自称万磁王......

关押在美梦监狱的X特遣队成员获得一项可以减轻刑罚的新任务，前往南美洲的科托马耳他岛国，摧毁纳粹时期遗留的约顿海姆监狱和实验室，它当前用于关押该国的政治犯并施行人体实验。执行任务期间，X特遣队遭遇巨型外星生物海星斯塔罗，并与它发生冲突。

年轻的X教授查尔斯（詹姆斯·麦卡沃伊JamesMcAvoy饰）和万磁王埃里克（迈克尔·法斯宾德MichaelFassbender饰）是一对志向相投的好朋友。他们最早发现了自己的超能力，并与其他几个变种人一起在CIA工作。引发埃里克超能力的纳粹战争贩子肖（凯文·贝肯KevinBacon饰）一直试图挑起核战争，而想方设法挑起美苏两国的矛盾。埃里克和查尔斯一直与肖手下的变种人战斗，努力阻止肖的阴谋。肖怂恿苏联引发古巴导弹危机，查尔斯和埃里克获知消息后，在海湾与肖手下的变种人拉开了对决的一战。最终，肖被查尔斯和埃里克合力消灭。可是，在这个过程中，埃里克逐渐被肖的政治观点影响，与查尔斯产生裂痕。通过海湾的这一战，埃里克和查尔斯最终决裂，一方变成支持人类与变种人和平共存的X教授；另一方坚持通过消灭人类换来变种人兴起的观点，自称万磁王......