新年前夜，神秘杀手在美国市中心的一栋高层，大规模远程枪杀狂欢的人群。29人死亡，枪枪毙命，案发现场找不到任何弹壳、指纹等证物，杀手毫无踪迹。三天后，杀手又在大型购物中心大开杀戒，数十位市民和安保人员中弹身亡，一组特警队员也被杀手用手榴弹团灭。　　联邦调查局长官兰马克（本·门德尔森 Ben Mendelsohn 饰）和其爱徒——年轻女警艾丽诺（谢琳·伍德蕾 Shailene Woodley 饰），奉命查案，但州政府、当地警局都妄图夺取功劳，争权夺利，甚至执行兰马克强烈反对的特警行动，但这些行动造成的市民伤亡却又归咎于兰马克，无比荒谬，完全失控。也正是这个荒谬的恶世，塑造了今日的杀手。师徒二人在走投无路之际，艾丽诺发现了关键线索，带她无限接近恶世深渊之中。

影片剧情围绕X战警中最受欢迎成员之一的琴·葛蕾展开，讲述她逐渐转化为黑凤凰的故事。在一次危及生命的太空营救行动中，琴被神秘的宇宙力量击中，成为最强大的变种人。此后琴·葛蕾不仅要设法掌控日益增长、极不稳定的力量，更要与自己内心的恶魔抗争，她的失控让整个X战警大家庭分崩离析，也让整个星球陷入毁灭的威胁之中……