時代は1975年頃。
若き日のジーン・グレイは両親（ジョンとエレイン）が運転する車に乗っていました。ジーンは自身の力を使ってラジオの音楽を変更しようとしたものの、頭のなかで声が聞こえます。
結果、ジーンは頭の声をなんとかしようと大きく絶叫。運転中のエレインは絶叫に耐えられず気絶しました。
制御を失った車は運悪くトラックの前に侵入。車は大きく大破し、両親は亡くなります。しかし、ジーンの体は無傷でした。
場面変わって病院では、ショックを受けた様子を見せるジーンに対してチャールズ氏が慰めの言葉をかけています。チャールズはジーンに対して贈り物があると発言。どうするかは君次第だとも言いました。
それからチャールズは、自身が運営する「才能ある若者のための学校」に案内。ジーンをそこでかくまい、特別な力をよりよい方向に使えるよう導こうとします。
時代は1992年頃。
スペースシャトルのエンデバー号がアメリカで打ち上げられたものの、間もなく太陽フレアと思われる経路に侵入するトラブルが発生しました。
米大統領はチャールズに対してすぐに電話。スペースシャトルに取り残された宇宙飛行士を救助してほしいと依頼します。
要請を受けて救助に向かったのは、レイブン（ミスティック）が率いるスコット（サイクロップス）、ハンク（ビースト）、オロロ（ストーム）、カート（ナイトクロウラー）、ピーター（クイックシルバー）らXメンのメンバーたち。
現場にたどり着いたXメンは、まずピーターとカートが内部に潜入。スピードを生かして素早く取り残された宇宙飛行士たちを救助してXウィングに戻ります。
しかし船員いわく、まだ船内に人が取り残されているとのこと。そこで今度は、カートとジーンが内部に侵入して救助しました。ジーンはその間迫りくる太陽フレアから船員などを守ったものの、結構大変な状態です。
最終的にはジーンはエネルギーを救出しつつ、なんとか脱出に成功しました。Xメンはそれから救助した船員たちと地上に戻り、ヒーローとして讃えられました。
チャールズは学校に戻ると、生徒たちを退学させようとしました。対してレイブンは、チャールズに発言。
生徒たちはスペースシャトルのような危険なミッションがあったとしても気にしていないだろうということや、どちらかというとアポカリプスを破って以来得ている賞賛のほうに興味がありそうだと言いました。
いっぽうほかの場所では、3隻の船がパーティーが行われている湖の家の近くを下っていました。そこでマーガレットという女性が犬が吠えていることを気にして外に出ます。
それからマーガレットは3人の異星人に遭遇。DBari民族と呼ばれる異星人はマーガレットと吠えていた犬を殺め、一人はマーガレットの姿に変身しました。
偽物のマーガレットはパーティーに戻り、そこにいた人々を次々と殺めます。それから異星人のリーダーVukはほかの異星人と遭遇。
どうやら異星人は太陽フレアの道をたどっているようで、ジーンごそのエネルギーを吸収したことをわかっている様子でした。
ハンクがジーンの体内エネルギーがどれだけあるか調査したところ、チャートから外れるレベルのものでした。それはジーン自身も感じており、ほかの生徒たちも盛り上がります。結果、ジーンは生徒からフェニックスと呼ばれるようになりました。
それからスコットは外のパーティーに参加。レイブンは学校をやめて彼ら自身と一緒に過ごすべきはないかといいますが、スコットは生徒がここにとどまるべきと発言します。
直後、ジーンの様子が急変。生徒たちがキャンプファイヤーを始めたところジーンがコントロールを失い、周辺を吹き飛ばすエネルギーを放出しました。
事態を重く見たチャールズは、ハンクとレイブンを連れてセレブロに行きジーンの心を覗き見。そこでハンクとレイブンは、チャールズ自身がジーンの記憶を抑制しているのだと知ります。
それはジーンが小さい頃に起こした事件。ジーンは両親を自分の力が抑えられなかったせいで殺めてしまったたま、罪悪感を感じています。チャールズはその記憶を制限し、ジーンの痛みを緩和させていたのでした。
耳慣れない声がするとともに、ジーンは目覚めます。それからスコットはジーンを調べるために自宅についていくと、父親が生きていると伝えられます。
ジーンは生きているとされるエレインを見つけるため、古い隣人の自宅を訪問。そこにはエレインと繋がりのあるジョンが一人暮らししていました。
ジョンはジーンを招き入れます。それから写真を見ていると、ジーンはエレインとジョンだけの姿があり、自分が写っていない事実を発見。
それからジーンは、ジョンの記憶を視聴。ジョンはエレインが死んだことについてジーンを攻めており、喜んでチャールズに差し出したという事実が発覚します。
激怒したジーンは暴走しそうになったものの、Xメンのメンバーが到着。ジーンとXメンの争いが始まります。
その結果、レイブンがジーンを落ち着かせようたした際に大暴走。ハンクがレイブンを助けようとしたものの、結局亡くなりました。
Xメンはレイブンの死を追悼。ハンクはジーンが今の状態になってしまったのはチャールズのせいだ、と本人に言います。
いっぽうその頃、異星人のバックがジョンの自宅周辺に到着。バックはジョンの自宅に侵入し、胸を締め付けて殺めていました。
逃げたジーンはジェノシャ島に行き、エリック（マグニート）が率いるミュータントサンクチュアリを訪問して保護するよう求めました。
しかしエリックはジーンの衣服にレイブンの血が付着しているのを発見。彼女自身がこの件について何も触れないため、疑いの目を向けます。
しばらくして、島に軍の部隊が到着。軍のリーダーはジーンの引き渡しを求めます。しかしジーンがそこに現れ、軍隊が所持する武器を操って兵士たちに危害を加えようとしました。
エリックは軍隊を逃がすため、ジーンに抵抗。それからジーンは、島を出ていくよう言い渡されました。
いっぽう異星人のバックは、どこかの酒場でジーンが変装しているのを発見。バックはジーンについてくるように促し、ほかの異星人とともに隠れ家に行きました。
そこでバックは、ジーンの体になにが起こったのか、スペースシャトルの出来事を投影。異星人たちはどうやら母星を破壊されており、その力を追っていたらジーンが吸収していたのを発見したようでした。
バックはジーンに警告。このままではXメンがジーン自身を制御することができないため、抹殺するかもしれないと不安を煽ります。
いっぽうハンクは、エリックの力を借りるためジェノシャ島を訪問。そこでレイブンが死んだことやジーンが原因であることを伝えました。
エリックはジーンを倒す必要性について考えます。それからエリックはほかのテレパシー能力を持つミュータントの力を借りて、ジーンを追ってニューヨークに向かいました。
スコットとストーム、カートはエリックとハンクがジーンを止めるために追っていることを知り、チャールズと話します。チャールズはなるべくジーンに危害を加えないように穏便な済ませ方をしたいと考えていますが、もはやXメンのメンバーは聞く耳を持たないため、従うしかありませんでした。
Xメンらがニューヨークに向かい、エリック、ハンク、セレネ、ほかのミュータントのアリキがジーンを殺めるために到着します。市民が怯えるなかで、戦闘が勃発。ジーンを救いたい派と殺める派が分かれて戦闘していました。
最終的にはチャールズがジーンに触れ、なんとかなだめることに成功。ジーンは自らの力を異星人に渡して解決します。しかし今度は、異星人が人間を排除して地球を乗っ取ると声明。
ただミュータントをコントロールするユニットが来たため、その計画も失敗に終わります。
力を押さえつけられたミュータントたちは隔離施設に送られるため、電車で移動。そこに異星人が現れ、列車と兵士たちを攻撃し始めます。
結果的にミュータントたちは解放。そのなかでセレネとアリキが亡くなったものの、Xメンが頑張ったことで事態の収拾に導かれました。
バックは凄まじい力を手に入れたものの、さらなるパワーを得ようとジーンに再び近づきます。その前にチャールズはジーンを起こしました。
ジーンはバックに色々と言われますが、バックとともに上空へ移動。上空では大爆発が起こり、バックとジーンは消滅。
その姿は、まさに空で燃えているフェニックスそのものでした。
ジーンが消えたあと、ミュータントの学校は「ジーングレイの才能ある若者のための学校」といった名前に改名されました。
ハンクはそこで新しい学部長になり、ストームもまた教師として活動します。ピーターはけがから回復。
チャールズは引退してパリに行っていました。それからエリックはチャールズにチェスをしたいと提案。
最後に空に浮かぶフェニックスが映り、映画が終了します。
