特殊能力を持つミュータントたちが結成したＸ－ＭＥＮは、人類と共存し、平和を守っていた。そんなある日、主要メンバーのジーン・グレイ（ソフィー・ターナー）が、宇宙のミッションで事故に遭遇し、謎の光線を浴びてしまう。これにより、彼女の中のダークサイド“ダーク・フェニックス”が覚醒。強大なパワーを持つ“ダーク・フェニックス”となったジーンは、次第に仲間から孤立していく。そんなジーンを理解し、救おうと手を差し伸べる仲間たち。だが、ジーンの解き放った力が、思いがけない悲劇を引き起こしてしまう……。取り返しのつかないことを引き起こしたジーンの心を、さらに侵食していくダーク・フェニックス。そんな彼女に近づく謎の女。地上の全生命を滅ぼしかねない最強の力は、ジーン自身にもコントロールできず、暴走していく。プロフェッサーＸ（ジェームズ・マカヴォイ）の旧友にして宿敵のマグニートー（マイケル・ファスベンダー）さえ、彼女を止めることはできない。絶体絶命の危機が迫る中、危険視され、拘束されるＸ－ＭＥＮ。世界の滅亡を止めるため、ジーンを抹殺すべきか否か、仲間同士でも意見が対立。最強の存在と化したジーンに立ち向かう術はあるのか……。