近未来，人类的各种器官均可实现移植，一时间机器人、生还人、仿生人充斥世间，与人类真假莫辨。某座繁华都市的大厦内，汉卡公司高管正与非洲来宾洽谈业务，突然宴会变成血腥大屠杀，暴走的机器人大开杀戒。隶属公安九课的米拉·基里安少佐（斯嘉丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰）带领巴特（皮鲁·埃斯贝克 Pilou Asbæk 饰）等手下赶往现场，平息事态。根据对暴走艺伎机器人的调查发现，被称作“久世”的神秘之人策划了这一系列的行动，而且他的目标全部指向了掌握着生化前沿尖端科技的汉卡公司及其研发人员。经过一番凶险的周旋，少佐逐渐逼近真相，同时也渐渐解开了发生在自己身上的惊天秘密…… 本片根据士郎正宗的经典原作改编。

影片剧情围绕X战警中最受欢迎成员之一的琴·葛蕾展开，讲述她逐渐转化为黑凤凰的故事。在一次危及生命的太空营救行动中，琴被神秘的宇宙力量击中，成为最强大的变种人。此后琴·葛蕾不仅要设法掌控日益增长、极不稳定的力量，更要与自己内心的恶魔抗争，她的失控让整个X战警大家庭分崩离析，也让整个星球陷入毁灭的威胁之中……