Abertura: O Resgate no Espaço
O filme começa em 1992, quando a equipe dos X-Men é chamada para uma missão espacial pela NASA. Uma nave está em perigo após ser atingida por uma estranha energia cósmica. Professor Charles Xavier envia Mística (Raven), Ciclope (Scott Summers), Jean Grey, Tempestade (Ororo Munroe), Noturno (Kurt Wagner) e Mercúrio (Peter Maximoff) para salvar a tripulação.
Durante o resgate, Jean absorve toda a força da entidade cósmica para salvar seus colegas, aparentemente morrendo no processo. Porém, ela sobrevive, agora tomada por um poder incontrolável.
O Conflito Interior de Jean
De volta à Mansão X, Jean começa a sentir mudanças em seus poderes. Ela descobre que está mais forte do que nunca, mas também mais instável. Xavier, preocupado, tenta esconder um segredo do passado: quando criança, Jean causou o acidente de carro que matou sua mãe, e Charles bloqueou memórias traumáticas em sua mente para protegê-la.
Quando essas memórias voltam à tona por causa da Força Fênix, Jean se sente traída e perde o controle, fugindo da mansão em busca de respostas.
A Tragédia com Mística
Jean procura abrigo na casa de seu pai biológico, mas ele a rejeita, assustado com seus poderes. Desestabilizada, Jean perde o controle quando os X-Men tentam levá-la de volta. No confronto, ela acaba matando Mística acidentalmente.
A morte de Raven abala a equipe. Fera (Hank McCoy), arrasado por perder sua parceira e amiga, culpa Charles pelas mentiras e pela insistência em usar os X-Men como heróis públicos. Ele se afasta, rompendo com Xavier.
A Interferência Alienígena
Nesse momento, surge uma nova ameaça: uma raça alienígena conhecida como D’Bari, liderada por Vuk, que busca a energia cósmica que agora está dentro de Jean. Vuk se aproxima da jovem, manipulando-a e prometendo ajudá-la a controlar seu poder, mas com a intenção de usá-la para conquistar a Terra.
Jean e Magneto
Jean procura Magneto (Erik Lehnsherr) em sua comunidade de mutantes, buscando orientação. Porém, quando soldados do governo chegam, Jean perde novamente o controle e demonstra sua força devastadora, assustando até mesmo Erik. Magneto percebe que Jean é uma ameaça e decide que ela precisa ser detida a qualquer custo.
A Caçada a Jean
Enquanto Xavier ainda acredita que Jean pode ser salva, Fera se une a Magneto para matá-la em vingança pela morte de Mística. Os X-Men, divididos entre a compaixão de Charles e a fúria de Hank e Erik, acabam em confronto nas ruas de Nova York, em frente ao prédio onde Jean está com Vuk.
No embate, Jean mostra o auge de seu poder, parando ataques de ambos os lados. No entanto, ela também demonstra conflito interno, ainda lutando contra a entidade cósmica que tenta dominá-la.
A Captura e o Trem Blindado
O governo intervém, capturando Jean e os X-Men, levando-os em um trem militar blindado. No caminho, os alienígenas D’Bari atacam para resgatar Jean. Uma batalha intensa acontece dentro do trem: cada mutante mostra suas habilidades contra os inimigos.
Durante o ataque, Jean desperta totalmente como a Fênix Negra, libertando-se e aniquilando grande parte dos D’Bari.
O Sacrifício de Jean
No confronto final, Vuk tenta absorver toda a energia cósmica de Jean, mas a mutante percebe que pode usar esse poder para proteger seus amigos. Ela leva Vuk para o céu em uma explosão de pura energia, sacrificando-se e salvando a Terra.
Epílogo: Um Novo Caminho
Após a batalha, os X-Men tentam seguir em frente. A escola de mutantes passa a se chamar Escola Jean Grey para Jovens Superdotados em homenagem ao sacrifício dela. Xavier se aposenta, passando a liderança para Fera.
Na cena final, vemos Charles Xavier em Paris, jogando xadrez com Magneto, sugerindo que, apesar de todas as perdas, a amizade e o respeito entre eles permanecem.