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。《X战警：黑凤凰》是迄今为止气氛最紧张、情感最丰富的一部《X战警》电影，是《X战警》系列20年来的集大成之作，大家非常熟悉和热爱的变种人大家庭即将面对最为强大的敌人——而她恰恰还是他们中的一员。

　　五年前的“旧金山事件”虽已平息，但是帝王组织对泰坦巨兽的研究从未停止。这一日，位于61号基地的巨兽摩斯拉破茧而出。艾玛·罗素博士（维拉·法米加 Vera Farmiga 饰）利用手中的声波设备与暴走的摩斯拉建立联系，可是突然闯入的雇佣兵却将一切引向不可预测的方向。原来劫走艾玛的艾伦（凯尔·钱德勒 Kyle Chandler 饰），试图借助声波设备唤醒正沉睡在冰川中的远古巨兽基多拉。另一方面，芹泽博士（渡边谦 饰）辗转找到马克（凯尔·钱德勒 Kyle Chandler 饰），希望他能一同救回马克的前妻——艾玛博士。
　　然而事态逐渐失控，在人类欲望的趋势下，巨兽相继苏醒，更大的灾难笼罩在地球上空……

　　一对理想主义的年轻夫妇获得了一个逼真得令人惊叹的机器人，机器人的帮助使他们无忧无虑，但随着他们日渐亲近，他们对人性的感知将会改变。

　　A teenage girl befriends a terrifying alien that crash-lands in the desert near her home. As government agents close in, the girl protects her dangerous new companion while also dealing with her depressed mother and the mother’s abusive boyfriend.

　　两名深信阴谋论的年轻人绑架了一位有权有势的大型企业女首席执行官（艾玛·斯通 Emma Stone 饰），因为他们坚信她其实是个企图摧毁地球的外星人。

　　在并不遥远的近未来，科学界终于揭示了一个足以震撼世人的秘密。看似永恒不动的月球，原来竟是非自然产物，而且一股神秘的力量正在操控着它，以不可逆转的势头撞向地球。布莱恩·哈珀（帕特里克·威尔森 Patrick Wilson 饰）曾是一名资深宇航员，但是最后一次行动以诡异的方式失败，他在外太空的所见所谓似乎也触动了某些人的神经，最终导致他被扫地出门，妻离子散。另一方面，在航空局当保洁工的KC·豪斯曼（约翰·布莱德利 John Bradley 饰）虽然身份低微，却是对航空有着无与伦比痴迷的民科。他最先注意到月球生命体以及月球坠落趋势的存在，而他的发现最终得到了布莱恩以及布莱恩前搭档乔·富勒（哈莉·贝瑞 Halle Berry 饰）的认可。
　　为了拯救地球，这三个渺小人类朝着来势汹汹的月球发起反攻……

　　距今50多年前，一艘来自赛博坦的飞船坠落月球，由此引发了美苏两国的太空竞赛。人类争相登上月球，只为一探飞船残骸中的秘密。时间回到21世纪初，经过几番征战，汽车人终于挫败霸天虎的入侵，继而与人类合作，共同保卫美丽的地球。然而发生在切尔诺贝利的事件却将尘封已久的月球计划重新摆到桌面。为了防止霸天虎找到能量柱为非作歹，擎天柱与战友飞赴月球，更从当年的飞船中救出了汽车人的先代领导者——御天敌。御天敌是能量柱的发明者，将上百根能量柱集合在一起便可制造太空桥，实现物质的瞬间传送。
　　忙着找工作以及和女友卡莉（罗茜·汉丁顿-惠特莉Rosie Huntington-Whiteley 饰）经营爱情的山姆（希亚·拉博夫 Shia LaBeouf 饰）无可避免地卷入其中，他渐渐发现霸天虎的操纵一切的阴谋，却不知更大的阴谋和危机隐藏在那月影背后……

　　当年那场惨烈的芝加哥大战，汽车人虽然成功击退了霸天虎的入侵，却也让地球人对他们失去了应有的信任与尊重。由美国中情局组建的“墓风”部队对所有的变形金刚进行无差别的猎杀，一时间汽车人和霸天虎全都在地球不见了踪影。某天，居住在得州的落魄机械发明家凯德·伊格（马克·沃尔伯格 Marky Mark 饰）买回来一辆破旧的卡车车头，谁知那竟是处在休眠中的汽车人首领擎天柱。嗅到气息的墓风部队蜂拥而至，苏醒后的擎天柱救走了凯德一家，也和散落在各个角落的汽车人相继取得联系。另一方面，疯狂的人类科学家从变形金刚的残骸中获知了他们变形的秘密，并企图借此制造出人造金刚，而脱胎自威震天的惊破天正是他们的得意作品以及催命死神。
　　新一轮的危机卷土而来，地球面临更大的灾难……

　　军方和汽车人的秘密合作计划面临被取消的危险，而重新复活的威震天和红蜘蛛引领霸天虎军队，密谋夺取能量源，企图在地球掀起又一场腥风血雨。
　　此时主人公萨姆（希安·拉博夫 Shia LaBeouf 饰）告别相恋的女友米凯拉（梅根·福克斯 Megan Fox 饰），要开始自己梦寐以求的大学生活了，但一切似乎都不那么顺利，一块小小的魔方碎片似乎在给予萨姆某种启示。为了获取魔方里的信息，霸天虎开始了对萨姆的追击，擎天柱为了保护萨姆而牺牲，萨姆受其感召，决定重新担负起自己的使命。
　　萨姆在自己室友里奥（雷蒙·罗德里格斯 Ramon Rodriguez 饰）和“机器战士”西蒙斯（约翰·托尔托罗  John Turturro 饰）的帮助下，与女友米凯拉根据魔方碎片给萨姆的提示来到了埃及，他们在金字塔里发现了能量源。而此时，霸天虎的军队也赶到了埃及。军方此时有一小队人马也在西荤斯的要求下带着擎天柱的尸体来到了埃及，善恶双方力量在那片金色的沙漠展开了殊死搏斗。

　　自纽约事件以来，托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰）为前所未有的焦虑症所困扰。他疯狂投入钢铁侠升级版的研发，为此废寝忘食，甚至忽略了女友佩珀·波茨（格温妮斯·帕特洛 Gwyneth Paltrow 饰）的感受。与此同时，臭名昭著的恐怖头目曼达林（本·金斯利 Ben Kingsley 饰）制造了一连串的爆炸袭击事件，托尼当年最忠诚的保镖即在最近的一次袭击中身负重伤。未过多久，托尼、佩珀以及曾与他有过一面之缘的女植物学家玛雅（丽贝卡·豪尔 Rebecca Hall 饰）在家中遭到猛烈的炮火袭击，几乎丧命，而这一切似乎都与22年前那名偶然邂逅的科学家阿尔德里奇·基连（盖·皮尔斯 Guy Pearce 饰）及其终极生物的研究有关。
　　即使有精密先进的铠甲护身，也无法排遣发自心底的焦虑。被击碎一切的托尼，如何穿越来自地狱的熊熊烈火……

　　钢铁侠托尼·斯塔克（小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰）在国会听证上拒绝交出最新技术。与此同时，他发现胸口的微型电弧反应炉正迅速造成血液的钯金属中毒。沮丧的托尼将斯塔克公司的总裁职务交予了秘书波兹（格温妮丝·帕特罗 Gwyneth Paltrow 饰），由她全权负责正在进行的纽约斯塔克博览会。波兹从法律部门调来助理娜塔莉（斯佳丽·约翰逊 Scarlett Johansson 饰）照顾托尼。托尼在媒体前的高调亮相引起了其父当年同事的儿子，伊凡（米基·洛克 Mickey Rourke 饰）的不满。为了实施报复，他子承父业，研制出了一套可与钢铁战衣相媲美的装备。伊凡的技术引起了托尼的竞争对手，军火商贾斯丁·汉默（山姆·洛克威尔 Sam Rockwell 饰）的注意，他设法将伊凡劫持出狱，秘密研究取代钢铁侠。正当托尼苦于钯金属中毒造成的失意之时，他发现娜塔莉原来身负秘密使命，而自己的任性，也造成了与好友，空军上校罗尼（唐·钱德尔 Don Cheadle 饰）的反目，眼看局势就要失控……

　　“霸天虎”的先遣部队旋风和毒蝎袭击了美军位于卡塔尔的军事基地，与此同时，路障帮助他的搭档迷乱潜入了美国总统的座机空中一号，通过电脑获悉，要想找到威震天就必须找到维特维奇家族的那副眼镜，上面有威震天关于能量块的信息扫描，而它现在的拥有者萨姆·维特维奇（希安·拉博夫饰）成为了“霸天虎”攻击的目标。
　　萨姆是名高中生，学校里没有人相信他讲述的关于这副眼镜的历史，失望之余，萨姆把眼镜放到网上拍卖，然而从未引起买家的兴趣。这时父亲送了一辆破车给他，这辆车恰好就是“汽车人”大黄蜂的变形。大黄蜂帮助萨姆交上了漂亮的女朋友（梅甘·福克斯饰），但很快就遭遇了“霸天虎”的袭击，擎天柱带着其他“汽车人”赶到，一场机器人大战由此拉开了序幕。

　　纽约大战后，雷神索尔（克里斯·海姆斯沃斯 Chris Hemsworth 饰）将弟弟洛基（汤姆·希德勒斯顿 Tom Hiddleston 饰）带回仙宫囚禁起来，此外帮助九大国度平定纷争，威名扶摇直上。虽然父王奥丁（安东尼·霍普金斯 Anthony Hopkins 饰）劝其及早即位，但索尔念念不忘地球的美丽女孩简·福斯特（娜塔丽·波特曼 Natalie Portman 饰）。与此同时，简在和黛西及其助手伊安调查某个区域时意外被神秘物质入侵，却也因此重逢索尔，并随其返回仙宫。令人意想不到的是，藏在简体内的物质来自远古的黑暗精灵玛勒基斯（克里斯托弗·埃克莱斯顿 Christopher Eccleston 饰）。在“天体汇聚”的时刻再次到来之际，玛勒基斯企图摧毁九大国度，缔造一个全然黑暗的宇宙。
　　藏匿简的仙宫受到重创，而索尔和洛基这对冤家兄弟也不得不联手迎战宿命的强敌……

　　1845年，尚年幼的维克多与詹姆斯兄弟俩在长辈之间一场突如其来争执中唤醒了自身的潜能，詹姆斯情急之下将陌生的生父杀死，自此兄弟两人流落战场，他们凭借不死不衰之身和野兽一般的天赋在各个时代的战争中大开杀戒，直到遇见史崔克少校并加入了他的异能人特殊部队。詹姆斯（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）很快厌倦了对弱势者的杀戮，离开了团队和维克多（列维·施瑞博尔 Liev Schreiber 饰），与女友凯拉隐居在山林中，做了一名伐木工人。六年后，詹姆斯惊闻昔日的超能力队友纷纷被杀害，而杀手正是哥哥维克多，不久连凯拉也遭其毒手，愤怒的詹姆斯与史崔克合作，将自己的身体改造，成为钢筋铁骨的“金刚狼”。金刚狼摆脱军方控制后，发誓要杀死维克多和史崔克为凯拉报仇……

　　故事发生在2029年，彼时，X战警早已经解散，作为为数不多的仅存的变种人，金刚狼罗根（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）和卡利班（斯戴芬·莫昌特 Stephen Merchant 饰）照顾着年迈的X教授（帕特里克·斯图尔特 Patrick Stewart 饰），由于衰老，X教授已经丧失了对于自己超能力的控制，如果不依赖药物，他的超能力就会失控，在全球范围内制造无法挽回的灾难。不仅如此，金刚狼的自愈能力亦随着时间的流逝逐渐减弱，体能和力量都早已经大不如从前。
　　某日，一位陌生女子找到了金刚狼，将一个名为劳拉（达芙妮·基恩 Dafne Keen 饰）的女孩托付给他，嘱咐他将劳拉送往位于加拿大边境的“伊甸园”。让罗根没有想到的是，劳拉竟然是被植入了自己的基因而培养出的人造变种人，而在传说中的伊甸园里，有着一群和劳拉境遇相似的孩子。邪恶的唐纳德（波伊德·霍布鲁克 Boyd Holbrook 饰）紧紧的追踪着罗根一行人的踪迹，他的目标只有一个，就是将那群人造变种人彻底毁灭。

　　勇敢善战雷神托尔（克里斯•海姆斯沃斯 Chris Hemsworth 饰），作为永恒境界阿斯加德的王位继承人，受人敬仰。然而由于一次鲁莽的行动，险些挑起一场古老的战争，因此被父亲天神奥丁（安东尼•霍普金斯 Anthony Hopkins 饰）流放到人间。托尔在人间认识了 美丽的女科学家珍•福斯特（娜塔莉•波特曼 Natalie Portman 饰）和她的工作伙伴，在他们的帮助下，托尔找到了和自己一起被贬的雷神之锤，但此时的雷神之锤并不属于他。此间，托尔的弟弟洛基为了成为阿斯加德的王，居然联合寒冰巨人，企图在永恒境界掀起一场腥风血雨。为了维持永恒之界的法度，托尔的四位朋友也来到人间，他们决定带托尔返回永恒之境。此时，为了阻止雷神重归永恒境界，洛基派出巨人杀死托尔。丧失能力和法战的托尔为了保护无辜的人类与自己的朋友，献出了自己的生命。托尔的死打破了天神的的咒语，托尔复活并重获雷神之力战胜巨人。此时，天神生命危在旦夕，托尔必须与自己的朋友们重返永恒之界，维护那里的法度……
　　本片改编自传奇漫画家搭档斯坦•李（Stan Lee）和杰克•科比（Jack Kirby）于1962年推出《雷神》连载漫画。

　　在“索科维亚战役”两年后，雷神索尔（克里斯·海姆斯沃斯 Chris Hemsworth 饰）识破了洛基（汤姆·希德勒斯顿 Tom Hiddleston 饰）的伪装，辗转找到了被放逐到地球的奥丁（安东尼·霍普金斯 Anthony Hopkins 饰）。然而垂死的奥丁却告知两个儿子，“诸神的黄昏”已经开始，曾遭到奥丁封禁的死亡女神海拉（凯特·布兰切特 Cate Blanchett 饰）即将重返阿斯加德。与海拉的初次对决中，索尔失去了雷神之锤，他和洛基也被打落至混乱不堪的萨卡星。在萨卡的决斗场上，索尔重逢失踪许久的绿巨人，也见到了曾从海拉魔爪下逃得一生的女武神。
　　历经千辛万苦，索尔和战友们重返阴云密布的阿斯加德，去正视这注定要到来的“诸神的黄昏”……

　　位于加拿大的深山老林，背负着永生之苦的“金刚狼”罗根（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）隐居于此。在一次与猎人的冲突中，他得到东瀛女子雪生（福岛莉拉 饰）的帮助。雪生是罗根二战期间的旧相识矢志田派来的下属，似乎不久于人世的老友渴望死去之间再见罗根一面。跨越重洋的罗根终于见到在虚弱的矢志田，对方希望他能够保护自己的孙女真理子（冈本多绪 饰）。随着老人谢世，葬礼上突然战火点燃。罗根在雪生的帮助下拼死救出真理子，而矢志田的儿子信玄（真田广之 饰）似乎另有所图。逃亡途中，罗根意外发现他丧失了自愈的能力，金刚狼最大的危机降临……
　　本片根据弗兰克·米勒（Frank Miller）的原著漫画改编。

　　彼得 帕克（托比•马奎尔 Tobey Maguire 饰）只是美国一个平凡的高中生，当一次他被蜘蛛博物馆偷跑出来的变种蜘蛛咬了一口之后，彼得的生活彻底改变了。他变得和蜘蛛一样，拥有各种蜘蛛特有的超能力：从手指喷出粘力极强的蜘蛛丝、飞檐走壁等等。彼得兴奋异常，开始利用自己的超能力去赚钱。但当他最爱的叔叔被自己放走的罪犯杀死后，彼得发誓要用自己的超能力去打击犯罪。
　　彼得好友哈利的父亲诺曼（威廉•达福 Willem Dafoe 饰）是一家生物科技公司的老板，因自己公司生产的飞行器没得到军方首脑赏识而苦恼不堪。一次意外诺曼吸入神经毒气而具有了超能力，引发了自身邪恶的本性，骑着自己研发的飞行器去到处破坏、杀人。彼得化身的蜘蛛侠开始出击了！

　　彼得帕克（汤姆·赫兰德 Tom Holland 饰）在内战后受到了钢铁侠托尼斯塔克（小罗伯特·唐尼 Robert Downey Jr. 饰）的赏识，表面上，彼得进入托尼的公司成为了一名实习生，实际上，他和复仇者联盟的成员们一起接受了各种各样的训练。托尼虽然欣赏彼得的勇敢和正直，却并不认为他目前已经拥有加入复联的实力，他派出了特工哈皮（乔恩·费儒 Jon Favreau 饰）暗中观察，这让十分想证明自己的彼得感到万分焦躁。
　　在对付两个银行劫匪的过程中，彼得发现劫匪们使用的是一种前所未见的新型武器，他孤身一人深入敌后顺藤摸瓜找到了幕后主使秃鹰（迈克尔·基顿 Michael Keaton 饰），让他彼得没有想到的是，秃鹰竟然是他爱慕的女生利兹（劳拉·海瑞尔 Laura Harrier 饰）的父亲。

　　大战绿妖之后，蜘蛛侠帕克（托比•马奎尔 Tobey Maguire 饰）忍痛拒绝了他唯一的挚爱玛丽（克尔斯滕•邓斯特 Kirsten Dunst 饰），因为蜘蛛侠的身份会为自己和亲人带来巨大危险，帕克决定独立承担起蜘蛛侠的责任。
　　帕克一直在忙于应付各种挑战：学习超能力的灵活运用；在超级英雄与平凡大学生的双重身份下隐藏自我、小心翼翼地生活等等。帕克对玛丽越来越难以自拔，但是作为蜘蛛侠又不能对玛丽展开心扉。
　　好友哈利因为误会蜘蛛侠而一直处处与其为作对；唯一的亲人婶婶也对蜘蛛侠的真实身份产生了怀疑。同时，新的挑战又出现了：邪恶而强大的章鱼博士。帕克在种种压力下肩负起蜘蛛侠的使命。

　　蜘蛛侠（托比•马奎尔 Tobey Maguire 饰）在经历了重重考验之后，成为了人人敬仰的正义英雄，抱得美人归。但是，光环下蜘蛛侠，也有自己的心病：他在第一集时放走了小偷导致最亲爱的叔叔被小偷杀死，帕克一直耿耿于怀。
　　生活顺意的帕克开始变得目中无人，当他再次抓到那个小偷时，残忍地看着他从楼上摔下致死，过后才发现自己惩罚错了人，真凶是“沙人”。当帕克将“沙人”残忍杀死后，帕克心内的阴暗面渐渐在帕克的身体内占据了上风，蜘蛛侠最终演变成邪恶的“毒蜘蛛”！糟糕的是，帕克没有察觉到自身的变化，帕克最终如何摆脱自身的邪恶？

　　童年的一起突发事件，令彼得·帕克（安德鲁·加菲尔德 Andrew Garfield 饰）和父母生离死别。转眼彼得成为一名高中生，他偶然发现父亲的公文包，并从叔父本（马丁·辛 Martin Sheen 饰）处得到线索，于是启程前往奥斯库公司拜访父亲当年的合作伙伴——科特·康纳斯博士（瑞斯·伊凡斯 Rhys Ifans 饰）。在公司内四处寻找线索的彼得意外被蜘蛛咬了一口，回程途中他的身体发生奇异的变化。在康纳斯博士德引导下，彼得不断了解并发掘体内着超乎寻常的能力，喜怒哀乐，各种意想不到的事情迅速向他袭来。直到某日，他便成了影响深远的超级战士蜘蛛侠。
　　而城市内也出现了凶恶的蜥蜴人，彼得不平凡的人生就此展开……