莱伯特是19世纪的一名落魄贵族公爵，在家人为他安排的相亲宴会上，他为了追踪一个陌生人，疯狂科学家斯图尔特，无意闯入时空隧道，来到了100多年后的21世纪，斯图尔特的意外住院使公爵面对陌生的环境举步维艰。机缘巧合下，他邂逅了斯图尔特的前女友凯特——一个野心勃勃、独立聪明的广告界女强人，一连串的事情，使二人互相吸引，谱写出一段跨越时空的浪漫恋曲。

变种人的领袖X教授主张对人要宽容，万磁王相信适者生存的理论。两人的想法南辕北辙，将整个变种人的世界推进到最紧的状态，战争已经一触即发。经过几番周折和惊心动魄的战争之后，最终金刚狼还是将“凤凰女”忍痛杀掉，以结束灾难。但是，面对大恶人“万磁王”的阴谋和“凤凰女”可怕的超级力量，新老X战警们还是吃尽了不少的苦头。

故事的设定发生在当下，变种人族群遭到了前所未有的毁灭性打击，而这一切的根源是“魔形女”瑞文在1973年刺杀了玻利瓦尔·特拉斯克。在得知“幻影猫”利用穿越时空的能力帮助Blink等战友逃脱巨型机器人“哨兵”的追杀后，X教授和万磁王达成认同，决定让金刚狼穿越回1973年，找到年轻的X教授和年轻的万磁王并说服他们一起阻止魔形女的行动。于是，金刚狼踏上了回到过去的旅程，但是命运会不会发生逆转，任何人都无从知晓。

1500年，大将军托马斯奉皇后伊莎贝拉之命前往新大陆寻找创传说中的“生命之树”。只要饮下一滴树的汁液，便会获得永生。他一路历尽千辛万苦，终于到达了一座辉煌的隐蔽之地，看到了永生难忘的奇异景象。2000年，脑癌专家汤米急切为患脑癌的妻子丽兹寻找良药。研究小组从南美洲丛林里带回了一株奇异的树种标本，在提炼药物用于黑猩猩实验时奇迹般地产生了效果。2500年汤米乘坐着用思想控制的透明圆球飞船中，穿梭于太空宇宙。辽阔的星际间，身边却只有那棵已快死亡的古树，他无时无刻不回想着关于丽兹的记忆。千年的奔涌时空里，苦苦寻觅的一直是生命的真谛……

18世纪初的中国，妇女还保留着裹小脚的复苏。在湖南的某个小镇，百合（李冰冰 饰）与雪花（全智贤 饰）按照当地风俗结为老同，自幼生活在一起，靠着女书交流彼此的心事，她们之间深厚的情感无人能够取代。随着年龄的长大，百合与雪花必须嫁作人妇，从此开始了各自的苦难人生。21世纪初，尼娜（李冰冰 饰）即将因公赴美，却在临行前夕得知好友索菲娅（全智贤 饰）车祸住院的消息。索菲娅是她自学生时代便在一起的好友，她们更按照古老的风俗结为老同。这场车祸，让久久失去联系的两人重新聚首…… 本片根据美籍华裔畅销作家邝丽莎所著小说《雪花与秘扇》改编。