När kampen mellan människan och mutanten fortgår uppkommer en "botemedel" mot mutation som gör det möjligt för dem med övermänskliga förmågor att befria sig själva från bördan och helt integreras i samhället. Den mutanta gemenskapen står snabbt inför en inbördes uppdelning i frågan, med de som väljer att behålla sina förmågor — egenskaper de tror definierar deras själva väsen — på den ena sidan, och de som, som X-Men-medlemmen Rogue (Anna Paquin, Almost Famous), längtar efter att bli av med en kraft som hindrar dem från att leva ett normalt liv på den andra. I skuggorna lurar en grupp mutanter som ser införandet av botemedlet som ytterligare bevis för att människan och mutanten inte kan samexistera, trots en pro-mutant president och en mutant i presidentens kabinett, Beast (Kelsey Grammer). Ledd av Magneto (Ian McKellen) förbereder dessa mutanter sig för den slutgiltiga konfrontationen mellan arten — och de får sällskap av en överraskande karaktär från det förflutna. Under tiden sörjer Cyclops (James Marsden) en personlig förlust och söker svar medan Wolverine (Hugh Jackman), Storm (Halle Berry) och Professor Xavier (Patrick Stewart) måste konfrontera det växande hotet mot freden och hantera förvandlingen av en av sina egna till en allsmäktig varelse vid namn "Phoenix."