Em 2029, Logan (Hugh Jackman) ganha a vida como chofer de limousine para cuidar do nonagenário Charles Xavier (Patrick Stewart). Debilitado fisicamente e esgotado emocionalmente, ele é procurado por Gabriela (Elizabeth Rodriguez), uma mexicana que precisa da ajuda do ex-X-Men para defender a pequena Laura Kinney / X-23 (Dafne Keen). Ao mesmo tempo em que se recusa a voltar à ativa, Logan é perseguido pelo mercenário Donald Pierce (Boyd Holbrook), interessado na menina.
No futuro, os mutantes são caçados impiedosamente pelos Sentinelas, gigantescos robôs criados por Bolívar Trask. Os poucos sobreviventes precisam viver escondidos, caso contrário serão também mortos. Entre eles estão o professor Charles Xavier, Magneto, Tempestade, Kitty Pryde e Wolverine, que buscam um meio de evitar que os mutantes sejam aniquilados. O meio encontrado é enviar a consciência de Wolverine em uma viagem no tempo, rumo aos anos 1970. Lá ela ocupa o corpo do Wolverine...
Ainda vivendo em um mundo que os odeia, os mutantes passam a sofrer uma discriminação ainda maior quando um novo mutante provoca um ataque ao Presidente dos Estados Unidos, quase matando-o. A notícia faz com que a sociedade se manifeste ainda mais contra os mutantes, fazendo com que ganhe força o projeto do registro de mutantes. William Stryker, um militar que tem experiência em lidar com mutantes e uma ligação com o passado de Wolverine,...
Sob a orientação do professor Charles Xavier, seres humanos que sofreram mutações genéticas aprendem a direcionar seus poderes especiais para o bem da humanidade, tendo de lidar com o traiçoeiro Magneto que prepara um plano sinistro, por acreditar que humanos e mutantes não devam coexistir.
