사이클롭스, 진 그레이, 스톰은 유전자변이로 탄생한 일종의 '호모 슈피리어'들로서 각자 특이한 능력을 지니고 있다. 사이클롭스(제임스 마스든 분)는 강력한 에너지 빔을 눈에서 뿜어내고, 진 그레이(팜케 얀센 분)는 염력을 가지고 있으며, 스톰(할 배리 분)은 날씨를 마음대로 조절할 수 있는 능력을 가지고 있는 것이다. 이들과 같은 소수의 변종들이 가진 능력에 혐오감과 두려움을 느끼고 적대시하는 사람들 중의 대표자격인 미국 상원의원 로버트 켈리(브루스 데이비슨 분)는 변종들로부터의 위험을 없애기 위한 법안을 추진한다.

이러한 분위기 속에서도 찰스 프란시스 자비에 교수, 일명 교수 X(패트릭 스튜어트 분)는 스톰, 사이클롭스, 진 그레이와 같은 변종들을 모아 그들이 가진 능력을 조절할 수 있도록 가르치고, 자신의 힘을 인류를 위해 사용하는 'X 맨'이 되도록 지도한다. 자비에는 새로운 두 명의 멤버를 받아들이는데, 한 명은 갈퀴손톱을 가진 엄청난 전투력의 소유자 울브린 로간(휴 잭맨 분)이고, 또 한 명은 만지기만 하면 상대방의 기억과 힘을 빨아들일 수 있는 신비한 소녀 로그(안나 파킨 분)다.

한편, 홀로코스트의 산증인으로서 한때 자비에 박사의 친구였던 사상최강의 변종인간 에릭 렌스헤어, 일명 마그네토(이안 맥켈런 분)는 자신들을 몰아내려는 인간사회에 등을 돌리고, 인류와 변종들은 결코 공존할 수 없으며, 변종들이 미래를 지배할 것이라 선언한다. 마그네토는 맘모스 사브레투쓰(타릴러 메인), 모습을 마음대로 바꾸는 미스틱(레베카 로민-스타모스 분), 엄청난 점프력을 가진 토드(레이 파크 분) 등을 이끌고 인류를 향한 공격을 시작한다. 이제 자비에 교수가 이끄는 정의로운 변종들인 X 맨들과 마그네토가 이끄는 사악한 변종집단 사이에 인류의 사활을 건 전투가 시작된다.

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