No futuro, os mutantes são caçados impiedosamente pelos Sentinelas, gigantescos robôs criados por Bolívar Trask (Peter Dinklage). Os poucos sobreviventes precisam viver escondidos, caso contrário serão também mortos. Entre eles estão o professor Charles Xavier (Patrick Stewart), Magneto (Ian McKellen), Tempestade (Halle Berry), Kitty Pryde (Ellen Page) e Wolverine (Hugh Jackman), 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 da época, que procura os ainda jovens Xavier (James McAvoy) e Magneto (Michael Fassbender) para que, juntos, impeçam que este futuro trágico para os mutantes se torne realidade.
Joe Brody (Bryan Cranston) criou o filho sozinho após a morte da esposa (Juliette Binoche) em um acidente na usina nuclear em que ambos trabalhavam, no Japão. Ele nunca aceitou a catástrofe e quinze anos depois continua remoendo o acontecido, tentando encontrar alguma explicação. Ford Brody (Aaron Taylor-Johnson), agora adulto, é soldado do exército americano e precisa lutar desesperadamente para salvar a população mundial - e em especial sua família - do gigantesco, inabalável e incrivelmente assustador monstro Godzilla.
Leonardo (Guilherme Lobo), um adolescente cego, tenta lidar com a mãe superprotetora ao mesmo tempo em que busca sua independência. Quando Gabriel (Fabio Audi) chega na cidade, novos sentimentos começam a surgir em Leonardo, fazendo com que ele descubra mais sobre si mesmo e sua sexualidade.