年轻的X教授查尔斯（詹姆斯·麦卡沃伊 James McAvoy 饰）和万磁王埃里克（迈克尔·法斯宾德 Michael Fassbender 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 Kevin Bacon 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。
伊森（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）曾是任职于特殊部门的秘密特工，自从一位名叫茱莉亚（米歇尔·莫娜汉 Michelle Monaghan 饰）的美丽女子出现在他的生命里后，伊森决定金盆洗手，卸甲归田。遗憾的是，好景不长，幸福的生活还没过多久，伊森便接到了徒弟林德赛（凯丽·拉塞尔 Keri Russell 饰）被死对头戴维恩（菲利普·塞默·霍夫曼 Philip Seymour Hoffman 饰）掳走的消息。戴维恩冷酷又凶残，林德赛落入他的手中可谓是凶多吉少。
为了解救林德赛，伊森重操旧业，
特工汉纳威（乔什·哈洛威 Josh Holloway 饰）执行任务时遇害，核机密文件被女杀手莫伦（蕾雅·赛杜 Léa Seydoux 饰）截获。为了找回文件，特工班吉（西蒙·佩吉 Simon Pegg 饰）和特工简（宝拉·巴顿 Paula Patton 饰）从俄罗斯监狱救出了伊桑·亨特（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）。他们接受的幽灵协议任务便是从克林姆林宫盗取核军事密码。然而，当他们接近目标时，却发现被恐怖分子亨德里克斯（迈克尔·恩奎斯特 Michael Nyqvist 饰）捷足先登，抢走了核
