Die X-Men verbünden sich mit Dr. Henry "Hank" McCoy, der einst – unter dem Codenamen "The Beast" – ein Gründungsmitglied der X-Men war und nun als erster Mutant ein Regierungsamt bekleidet. McCoy besichtigt einen Pharmakonzern, geleitet von Warren Worthington II, der ein Mittel gegen die Mutationen gefunden hat.
Quelle dieses Heilmittels ist der Mutant Jimmy (Codename: "Leech"), der in der Lage ist, das X-Gen, das für die Kräfte der Mutanten verantwortlich ist, bei anderen Mutanten zu unterdrücken. Allerdings wird betont, dass das Heilmittel nur für den Gebrauch bei Mutanten vorgesehen ist, die ihre Kräfte auch wirklich loswerden wollen – ein Angebot, welches auch "Rogue" annehmen will, da ihre Kräfte eine Verbindung mit ihrem Freund Iceman verhindern. Warren Worthington III ("Angel"), für den sein Vater das Mittel primär entwickelt hat, weigert sich aber im letzten Moment, sich der Behandlung zu unterziehen, und fliegt mit seinen nun ausgewachsenen Flügeln davon.
Die X-Men leben nach den Geschehnissen am Alkali Lake ihr Leben weiter. Einzig Scott zieht sich zurück, da er den Tod von Jean nicht verkraften kann. Während die X-Men mit ihren neuen Teammitgliedern im Gefahrenraum eine holografische Übungssequenz bewältigen, erhält Cyclops urplötzlich einen telepathischen Ruf seiner totgeglaubten Partnerin. Unmittelbar begibt er sich zum Alkali Lake, wo Jean tatsächlich wieder den Wassermassen, die sie einst begruben, entsteigt. Bei einem Kuss der beiden vollzieht sich jedoch eine finstere Wandlung in Jean, die in den Gedanken von Professor Xavier alle Alarmglocken läuten lässt. Er schickt Storm und Wolverine zum Alkali Lake, diese finden jedoch nur die bewusstlose Jean und Cyclops' schwebende Brille.
Nach der Verkündung des Mutanten-Heilmittels in den Medien gründet Magneto eine Armee von Mutanten, zu denen auch Pyro, ein früherer Schüler am Xavier-Institut, gehört, und schürt deren Paranoia, dass die Regierung das Mittel einsetzen wird, um alle Mutanten unter Zwang zu "normalen" Menschen zu machen. Als das Heilmittel bei Magnetos Versuch, seine Verbündete Mystique und andere Mutanten – Juggernaut, Callisto und Jamie Maddox – aus der Gewalt der Regierung zu befreien, auch tatsächlich als Waffe gegen die Mutanten eingesetzt wird und Mystique dadurch ihre Kräfte verliert, treten Magneto und seine Bruderschaft böser Mutanten an, um die Quelle des Heilmittels zu zerstören: die Worthington Pharmafirma auf der ehemaligen Gefängnisinsel Alcatraz …
Bryan Singer, Regisseur der beiden vorherigen Verfilmungen, konnte nicht wieder verpflichtet werden, da er die Regiearbeit am Film Superman returns übernahm. Aus dem gleichen Grund hat James Marsden ("Cyclops") im dritten Teil nur einen Kurzauftritt. 
Als Singers Nachfolger wurde Matthew Vaughn (Produzent des Films Snatch - Schweine und Diamanten) angeworben, der auch für einige Zeit an dem Projekt arbeitete, es schließlich aber noch vor Drehbeginn wieder verließ. So wurde Brett Ratner (After the Sunset – 2004; Roter Drache – 2002; "Rush Hour 2" – 2001; Family Man – 2000; "Rush Hour" – 1998; Money Talks – Geld stinkt nicht – 1997) mit der etwa 210 Mio. US-Dollar teuren Produktion beauftragt. Vaughn übernahm fünf Jahre später die Regie für X-Men: Erste Entscheidung.
Die Dreharbeiten begannen schließlich im August 2005 und dauerten bis zum Dezember desselben Jahres. Sie beinhalteten unter anderem den Bau eines gewaltigen Modells der Golden Gate Bridge, auch hatte Angel-Darsteller Ben Foster Probleme mit den künstlichen Flügeln, die er in fast allen Szenen tragen musste; sie erwiesen sich als zu schwer und mussten zu einem komplett neuen, leichteren Modell umgearbeitet werden. Der Film startete weltweit am 25. Mai 2006. Bis Juli 2006 hatte er bereits 425 Millionen US-Dollar eingespielt.
Zahlreiche Schauspieler, darunter Mike Vogel, Jed Bernard und Nick Stahl (Sin City), bewarben sich für die Rolle des Angel. Die Rolle ging schließlich an Ben Foster, der in mehreren Spielfilmen und der Serie "Six Feet Under – Gestorben wird immer" auf sich aufmerksam gemacht hatte.
Halle Berry hatte nach dem Drehende von X-2 angekündigt, nicht an einer weiteren X-Men-Verfilmung mitarbeiten zu wollen. Als Grund gab sie persönliche Probleme mit Regisseur Bryan Singer an. Außerdem bemängelte sie, dass der Charakter Storm sich nicht weiterentwickelte, und wollte sich auf die Hauptrolle in "Catwoman" konzentrieren. Als dieser Film dann jedoch floppte und Singer sich von "X-Men 3" abwandte, schloss sich Berry dem Projekt wieder an, allerdings unter der Voraussetzung, dass Storm eine größere Rolle spielte.
Die X-Serie
- X-Men: Erste Entscheidung (USA 2011)
- X-Men Origins: Wolverine (USA 2009)
- X-Men (2000)
- X-2 (2003)
- X-Men 3 - Der letzte Widerstand (2006)
- Wolverine: Weg des Kriegers (USA 2013)
- X-Men: Zukunft ist Vergangenheit (2014)
- X-Men: Apocalypse (2016)
- X-Men: Dark Phoenix (2019)
- The New Mutants (2018)
- Logan – The Wolverine (2017)
Übersicht: Helden im Comic, Helden auf der Leinwand