Med Magneto (Ian McKellen) fengslet i en spesiell holdercelle, men antimutant-sentimentet lever fortsatt, åpner X2 med en mutant-infiltrasjon av Det hvite hus hvor et tydelig budskap blir levert -- "Mutant-frihet nå." Professor Xavier (Patrick Stewart) og teamet setter i gang for å finne ut den egentlige hensikten med angrepet -- og hvem som står bak det. Storm (Halle Berry) og Dr. Jean Gray (Famke Janssen) oppdager identiteten til angriperen, en tidligere sirkus-/turnerende mutant ved navn Nightcrawler (Alan Cumming) med evnen til å teleportere seg. I mellomtiden besøker Xavier og Cyclops (James Marsden) en gammel venn -- Magneto -- og oppdager en plan lagt av William Stryker (Brian Cox), en mann med et personlig nag mot mutanter og Professor Xavier, for å ødelegge alle mutanter ved å bruke Xaviers egne krefter mot dem. Det er opp til Wolverine (Hugh Jackman), Rogue (Anna Paquin) og X-Men-teamet -- sammen med noen overraskende allierte -- å stoppe Stryker før det er for sent.