Abertura: A Bomba em Nagasaki
O filme começa em um flashback na Segunda Guerra Mundial, em 1945, no Japão. Logan, o Wolverine, está preso em um campo militar próximo a Nagasaki. Quando os bombardeiros americanos lançam a bomba atômica, ele salva a vida de um jovem oficial japonês chamado Ichirō Yashida, protegendo-o dentro de um poço e usando seu próprio corpo para absorver a radiação, enquanto seu fator de cura regenera os ferimentos horríveis. Esse ato heroico marca para sempre a vida de Yashida.
O Exílio e a Dor de Logan
No presente, anos após os eventos de X-Men: O Confronto Final, Logan vive isolado nas montanhas do Canadá, perturbado pela morte de Jean Grey, que ele foi forçado a matar para impedir que a Fênix destruísse tudo. Ele é assombrado por visões dela, que aparece em seus sonhos o acusando e tentando seduzi-lo para que se junte a ela na morte.
É nesse momento que ele é encontrado por Yukio, uma jovem mutante japonesa com habilidades de prever a morte das pessoas. Ela trabalha para o agora idoso Yashida, que está à beira da morte em Tóquio, e pede que Logan viaje com ela ao Japão para reencontrá-lo.
O Encontro com Yashida
Em Tóquio, Logan reencontra Yashida, agora um bilionário dono de uma das maiores corporações tecnológicas do Japão. Yashida revela estar morrendo de câncer, mas afirma ter desenvolvido uma tecnologia capaz de transferir o fator de cura de Logan para ele, oferecendo a Logan a chance de finalmente ser mortal e descansar de seu sofrimento. Logan recusa, afirmando que sua imortalidade é um fardo, mas também faz parte de quem ele é.
Naquela noite, durante a despedida de Yashida, uma estranha médica chamada Víbora (Dr. Green) manipula Logan secretamente, colocando em seu corpo algo que afeta sua capacidade de regeneração.
A Morte de Yashida e a Fuga com Mariko
Logo depois, Yashida morre e seu funeral é realizado em Tóquio. No entanto, o evento é interrompido por um ataque de yakuzas que tentam sequestrar sua neta, Mariko Yashida, herdeira da fortuna da família. Logan intervém, mas percebe que seu fator de cura não está funcionando corretamente: ele sangra e se fere de forma mais grave que o normal. Ainda assim, consegue escapar com Mariko, levando-a para longe de seus perseguidores.
Durante a fuga, Logan começa a se aproximar de Mariko, e ambos desenvolvem um vínculo romântico, enquanto ele luta contra seu enfraquecimento físico e a perda de sua imortalidade plena.
Conspirações e Traições
Aos poucos, Logan descobre que há uma grande conspiração envolvendo a família Yashida. Shingen Yashida, pai de Mariko, sente-se traído por não ter herdado a corporação e tenta matá-la para assumir o controle. Mariko, porém, é protegida por Logan.
Enquanto isso, Harada, um habilidoso arqueiro ninja e ex-amante de Mariko, revela-se dividido entre sua lealdade à família Yashida e sua devoção à jovem.
Logan, enfraquecido, quase morre em uma batalha contra os yakuzas, mas Yukio o ajuda a sobreviver. Ele então descobre que uma espécie de parasita mecânico, colocado por Víbora em seu coração, está bloqueando seu fator de cura. Em uma cena intensa, Logan realiza uma cirurgia improvisada em si mesmo para remover o parasita, enfrentando ao mesmo tempo um ataque de ninjas liderados por Shingen.
O Samurai de Prata
No clímax, Logan descobre que Yashida não morreu de verdade: ele forjou sua morte com a ajuda de Víbora. Usando uma gigantesca armadura de adamantium, Yashida se apresenta como o Samurai de Prata, planejando extrair o fator de cura de Logan diretamente de seu corpo para se tornar imortal.
A luta final acontece no complexo da corporação. Logan enfrenta o Samurai de Prata em uma batalha brutal, onde tem suas garras cortadas, e sua energia vital começa a ser sugada. Mariko, porém, ajuda Logan a se libertar, e ele consegue derrotar o avô dela, matando-o definitivamente.
Víbora é morta por Yukio durante a luta.
Desfecho: A Nova Jornada
Após a batalha, Logan se despede de Mariko, que assume sua posição como líder da corporação Yashida. Ela confessa que sempre amará Logan, mas ambos sabem que suas vidas seguem caminhos diferentes.
Yukio, por sua vez, decide acompanhar Logan em suas próximas jornadas, afirmando que será sua guarda-costas. Logan, agora mais consciente de sua mortalidade, parte novamente pelo mundo, tentando encontrar um propósito após tantas perdas.
Cena Pós-Créditos
Dois anos depois, Logan retorna a um aeroporto nos Estados Unidos e é abordado por Magneto, que pede sua ajuda contra uma nova ameaça. Logo em seguida, aparece Professor Xavier, vivo e saudável, surpreendendo Logan. Essa cena conecta diretamente Wolverine: Imortal aos eventos de X-Men: Dias de um Futuro Esquecido.