어린 시절 비극적인 사건으로 아버지를 잃고 죄책감에 빠진 울버린(휴 잭맨)은 형 빅터(리브 슈라이버)와 함께 군인의 신분으로 전쟁터를 전전하다가 스트라이커 소령의 팀원이 되어 활약한다. 그후 거듭되는 살육 임무를 수행하면서 회의를 느낀 울버린은 형의 반대에도 불구하고 팀을 떠나서 자신의 길을 찾는다.
그러던 어느 날, 사랑하는 케일라와 함께 평범한 벌목꾼으로 살아가던 울버린에게 비극이 닥친다. 케일라를 잃은 울버린은 복수를 위해 자신의 육체를 스트라이커에게 맡기고, 극한의 고통이 뒤따르는 지옥 같은 프로젝트를 통해 '웨폰 X'로 다시 태어난다. 불멸의 아다만티움 골격과 무기를 갖게 된 울버린은 복수를 위해 스페셜 팀을 탈퇴하지만, 에이전트 제로(다니엘 헤니)가 그를 추격하는데…