Film X-Men: Days of Future Past membawa penonton ke dua era waktu yang saling berkaitan. Di masa depan distopia tahun 2023, mutan dan manusia yang mencoba melindungi mereka diburu dan dibunuh oleh robot Sentinel yang sangat mematikan. Dalam sebuah serangan di Moscow, kelompok X-Men yang tersisa, termasuk Kitty Pryde, Colossus, Blink, Warpath, Bishop, Iceman, dan Sunspot, berjuang mati-matian. Mereka menggunakan kekuatan mereka untuk memberi Kitty waktu yang cukup agar dapat mengirim kesadaran Bishop kembali ke masa lalu. Tujuannya adalah memperingatkan rekan-rekan mereka tentang serangan mematikan ini dan mengubah jalannya sejarah agar mereka dapat bertahan hidup.
Setelah berhasil menghindari serangan di masa depan berkat peringatan dari Bishop, kelompok mutan ini mundur ke sebuah kuil terpencil di Cina. Di sana, mereka bergabung dengan Storm, Logan, Charles Xavier, dan Erik Lehnsherr. Professor X menjelaskan akar permasalahan yang mereka hadapi. Sentinel, robot pemburu mutan tersebut, awalnya dirancang oleh Bolivar Trask, seorang ilmuwan senjata. Namun, insiden pembunuhan Trask oleh Raven Darkhölme (Mystique) di tahun 1973 mengubah segalanya. Pemerintah menangkap Raven dan melakukan eksperimen padanya. DNA Raven digunakan untuk menciptakan Sentinel yang mampu beradaptasi dengan kekuatan mutan apapun, menjadikan mereka musuh yang hampir tak terkalahkan.
Xavier menyadari bahwa satu-satunya cara untuk mengubah masa depan mengerikan ini adalah dengan mencegah Raven membunuh Trask di tahun 1973. Rencananya adalah mengirim seseorang kembali ke masa lalu untuk mengubah kejadian tersebut. Awalnya, Xavier ingin melakukannya sendiri, namun risikonya terlalu besar karena perjalanan waktu yang terlalu jauh dapat membunuhnya. Logan, dengan kemampuan penyembuhan dirinya yang luar biasa, menawarkan diri untuk menggantikannya. Kemampuan regenerasinya memungkinkan dia untuk bertahan hidup dalam tekanan perjalanan waktu.
Logan terbangun di tahun 1973 dan mendapati dirinya berada di X-Mansion. Dari Hank McCoy (Beast muda), Logan mengetahui bahwa sekolah tersebut telah lama ditutup karena Perang Vietnam. Lebih mengejutkan lagi, Erik Lehnsherr (Magneto) dipenjara karena dituduh membunuh Presiden Kennedy. Charles Xavier muda ternyata telah berubah menjadi sosok yang berbeda. Patah semangat dan terpuruk, ia menjadi seorang alkoholik dan menggunakan serum yang memungkinkannya berjalan, namun dengan mengorbankan kemampuan telepati yang merupakan kekuatan utamanya. Meskipun awalnya ragu, Xavier akhirnya setuju membantu Logan. Mereka berdua memiliki tujuan yang sama: menemukan Raven. Dalam perjalanan ini, mereka merekrut Peter Maximoff (Quicksilver), seorang mutan dengan kecepatan super, dan bersama-sama mereka membebaskan Lehnsherr dari penjara The Pentagon. Mereka juga mengetahui bahwa Magneto sebenarnya mencoba menyelamatkan JFK, yang ternyata juga seorang mutan.
Sementara itu, Raven mengetahui bahwa Trask melakukan eksperimen pada mutan dan berencana untuk membunuhnya pada acara Paris Peace Accords. Xavier, McCoy, dan Logan berusaha menggagalkan rencana Raven. Magneto, yang percaya bahwa membunuh Raven akan mengubah masa depan, mencoba menghentikannya, bahkan sampai berkelahi dengan McCoy. Raven berhasil melarikan diri, namun kejadian ini membuat keberadaan mutan terungkap ke publik. Trask memanfaatkan situasi ini untuk meyakinkan Presiden Nixon agar menyetujui program Sentinel.
Magneto mengambil helmnya yang melindunginya dari kekuatan telepati dan diam-diam mengambil alih kendali prototipe Sentinel Trask dengan menyuntikkan baja ke dalamnya. Xavier kembali ke X-Mansion dan memutuskan untuk berhenti menggunakan serum yang melemahkan kekuatannya. Dengan membaca pikiran Logan, Xavier berkomunikasi dengan dirinya di masa depan dan mendapatkan inspirasi untuk berjuang demi masa depan yang lebih baik antara mutan dan manusia. Menggunakan Cerebro, komputer pelacak mutan, Xavier menemukan Raven. Bersama McCoy dan Logan, ia pergi ke Washington D.C. untuk menghentikan Raven membunuh Trask.
Di Washington D.C., pada sebuah acara peresmian Sentinel oleh Presiden Nixon, Xavier, McCoy, dan Logan mencari Raven. Tiba-tiba, Magneto muncul dan mengaktifkan Sentinel, mengisolasi Gedung Putih dengan mengangkat Stadion RFK di atasnya. Pertempuran sengit terjadi. Magneto bahkan menusuk Logan dengan besi dan melemparkannya ke Sungai Potomac. Nixon, Trask, dan Raven yang menyamar, bersembunyi di Bunker Gedung Putih. Namun, Magneto berhasil mengangkat bunker tersebut untuk membunuh semua orang di dalamnya. Di masa depan tahun 2023, X-Men melakukan perlawanan terakhir di kuil, banyak dari mereka gugur demi memberi waktu bagi perubahan di masa lalu. Di tahun 1973, Raven mengungkapkan dirinya dan melumpuhkan Magneto dengan pistol plastik, menyelamatkan Nixon dan kabinetnya. Sebelum membunuh Trask, Xavier berhasil meyakinkan Raven untuk mengampuninya. Tindakan Raven ini membuat publik menyadari bahwa seorang mutan telah menyelamatkan Presiden. Sebagai hasilnya, program Sentinel dihentikan, mengubah garis waktu dan menghapus masa depan kelam tahun 2023 dari sejarah. Para mutan di masa lalu kemudian berpisah. Trask ditangkap karena menjual rahasia militer kepada negara asing.
Logan terbangun kembali di tahun 2023 di X-Mansion dan mendapati bahwa sekolah Xavier kini berkembang pesat dan semua X-Men hidup, termasuk Rogue, Jean Grey, dan Scott Summers. Logan bertanya kepada Xavier tentang sejarah modern dari tahun 1973 hingga sekarang. Xavier, menyadari bahwa Logan dari garis waktu asli telah kembali, menyetujuinya. Kembali ke tahun 1973, Logan diselamatkan oleh Raven, yang menyamar sebagai Major William Stryker.
