影片将背景设在60年代古巴飞弹危机发生时，讲述在变种人未被世人所知的时候，Charles Xavier和Erik Lensherr还没有被人称作“X教授”和“万磁王”。他们只是变种人中最早发现自己超能力的两个年轻人。他们那时也不是对手，而是非常亲密的朋友。两人以及其他几个变种人在一起工作，试图阻止“末日”的到来。但在这个过程中，两人之间出现了裂缝，最终，在万磁王的兄弟会与X教授率领的X战警之间，一场永恆之战开始。

第一战

故事具有过去和未来双重时间线，过去时间线发生在《X战警：第一战》之后，讲述魔形女刺杀了玻利瓦尔·特拉斯克，导致在未来时间线的2023年的世界里，变种人全部被逼在营地，处处受到巨型机器人“哨兵”的追杀。为了改写历史，未来世界的金刚狼回到过去50年前（1973年）警告X教授、万磁王，让他们阻止魔形女的刺杀行动。

金刚狼的原名是詹姆斯·罗根，出生于19世纪末加拿大的一个富裕家庭，他天生体弱但是骨骼精奇，而且他的家庭并不和睦，所以小詹姆斯性格内向而且孤僻。他一直就这样平静而枯燥地生活着，直到有一天晚上，园丁杀死了父亲，丧父之痛让小詹姆斯激发了体内的奇特能力，他从身体里长出了由骨骼形成的“骨爪”，小詹姆斯用“骨爪”杀死了园丁。然而没想到的是，其实园丁才是小詹姆斯的生父，生父在临死前告诉了金刚狼他的身世。
于是小詹姆斯和哥哥维克多两人出逃。之后，两人参加了多次的战争，从一战一直打到越南战役。后来兄弟二人被史崔克将军招募，从事特种工作，厌倦了杀人的金刚狼后来脱离组织，才到了加拿大的林场当伐木工，改名为罗根。在逃亡中的罗根一直对自己天生的异能感到既恐惧又厌恶，于是自暴自弃。直到有一次，他在森林中偶遇并且爱上一名印第安血统女子“银狐”凯拉（其实是史崔克将军派来的间谍）。凯拉后来被金刚狼的哥哥维克多所杀（其实没杀），愤怒的金刚狼决定接受史崔克将军的条件，同意进行变种人的改造实验。
为了怀念女友，罗根给自己起名为“金刚狼”，并且本身骨骼被改造成不可摧毁，天生的骨爪变成了金刚爪。被改造的金刚狼还险被“X武器”组织洗去记忆，金刚狼甦醒后杀死了“X武器”组织的人之后逃跑。改造后寻找剑齿虎维克多报仇，途中和瞬移男找到牌王，但途中遇到剑齿虎，瞬移男被杀。改造后的金刚狼很猛，差一点就能干掉他哥哥剑齿虎维克多，结果牌王插手了，剑齿虎趁机逃跑。

金刚狼

罗根跟牌王澄清事实后，跟牌王找上了史崔克（其实和他剑齿虎是一伙的），也发现凯拉没死，然后一同解救其他被关押此处的变种人，于此同时韦德（就是开始那个玩双刀的）(死侍)也被改造了生化人，罗根打不过韦德，他哥哥也加入战斗，与他弟弟共同pk韦德，最终弄死了韦德后，剑齿虎与他弟弟分道扬镳走了。但金刚狼却被史崔克用艾曼德金属做的子弹（该金属与金刚狼的金属骨骼是一种材料）击穿了大脑，记忆丧失，与牌王分道扬镳了。那些变种人也跟着X教授走了。这是为《X战警》做铺垫。

除了更酷炫的动作场面以及更多新角色外，剧组还决定要带这部新的《X战警》系列电影到新的地点拍摄。《X战警》在多伦多，《X战警2》与《X战警：最后战役》大部分在温哥华，而《金刚狼》则绝大部分都在纽西兰及澳洲拍摄，仅少部分的连续镜头在温哥华完成。“为整部电影找一个新的地点也是我的挑战之一。”杰克曼说。“儘管前面三部作品的风格很棒，但我想要这集看起来不一样，格局更大些。没有哪里比纽西兰更像是世外桃源了，它充满了魔力，它让电影看起来更加的逼真。”製片约翰·帕勒莫补充道：“在澳洲与纽西兰拍摄使《X战警》的世界更加辽阔，观众一定会喜欢的。我们很幸运可以在如此美丽的地方拍摄。”