2023年。史上最強のバイオメカニカル・ロボット“センチネル”によって、地球は壊滅へと向かっていた。この危機に、プロフェッサーX（パトリック・スチュワート）は宿敵マグニートー（イアン・マッケラン）と手を組み、危機を根源から絶つため、時を越えた1973年にウルヴァリン（ヒュー・ジャックマン）の“魂”を送り込む。50年前の自分の肉体に宿り“センチネル・プログラム”の開発を阻止しようとするウルヴァリン。しかしその間も、2023年では暴走するセンチネルの攻撃によって、地球滅亡へのカウントダウンが進んでいた。2023年と1973年。タイムリミットを控え、2つの時代で同時進行する激しいバトルは想像を絶する結末へと向かう……。