Med Magneto (Ian McKellen) fængslet i en særlig holdeplads, men den anti-mutant stemning fortsætter, åbner X2 med en mutant-indsættelse i Det Hvide Hus, hvor et klart budskab leveres -- "Mutant freedom now." Professor Xavier (Patrick Stewart) og holdet sætter sig for at opdage det egentlige formål med angrebet -- og hvem der står bag det. Storm (Halle Berry) og Dr. Jean Gray (Famke Janssen) opdager gerningsmandens identitet, en tidligere cirkusoptrædende mutant ved navn Nightcrawler (Alan Cumming) med evnen til at teleportere. Undervejs besøger Xavier og Cyclops (James Marsden) en gammel ven -- Magneto -- og opdager en plan udtænkt af William Stryker (Brian Cox), en mand med personlig nag mod mutanter og Professor Xavier, om at ødelægge alle mutanter ved at bruge Xaviers egne kræfter mod dem. Det er op til Wolverine (Hugh Jackman), Rogue (Anna Paquin) og X-Men-holdet -- sammen med nogle overraskende allierede -- at stoppe Stryker, før det er for sent.