ב"אקס-מן 2" נפתח סיפור שבו ניסיון לרצוח את נשיא ארצות הברית מטיל חשדות כבדים על פרופסור קסבייר (פטריק סטיוארט) ותלמידיו בבית הספר למוטנטים. ג'ין גריי (פמקה ג'נסן) וסטורם (האלי ברי) יוצאות לחקור את האירוע ומגלות רמזים המצביעים על מזימה רחבה ומסוכנת. במקביל, פרופסור קסבייר וסייקלופס (היו ג'קמן) יוצאים למסע למצוא את מגנטו (איאן מק'קלן), בתקווה שיחד יצליחו לחשוף את האמת ולהגן על המוטנטים מפני סכנה מתקרבת. המתחים גוברים כאשר כוחות צבאיים פונים לתקוף את האקדמיה למוטנטים, והצוות נאלץ להתמודד עם איום חיצוני שפוגע לא רק בהם אלא גם בעקרונותיהם. במהלך הניסיון לשרוד ולהגן על עצמם, הם נחשפים למזימה שמטרתה להשמיד את המוטנטים ולהביא להפרדה מוחלטת בין בני האדם למוטנטים. כל אחד מחברי הכוח מתמודד עם הפחדים והכוחות הפנימיים שלו, כאשר המאבק על עתידם של המוטנטים ועל השלום בין העולמות מתהדק. הסרט מציג את המתח שבין נאמנות אישית לבין אחריות קולקטיבית, ומעמיד את הדמויות במבחן של אמונה בעצמם ובאחרים. פרופסור קסבייר, סייקלופס, ג'ין וסטורם נדרשים לשתף פעולה עם אויבים לשעבר כדי לשרוד ולהגן על עתיד המוטנטים. המאבק האינטנסיבי בין כוחות שונים, לצד גילויים מפתיעים, מוביל אותם אל נקודת מפנה שבה ההחלטות שיקבלו ישפיעו על גורלם של כולם. בסופו של דבר, המוטנטים מצליחים לחשוף את האמת מאחורי המזימה ולהפסיק את התקיפה הצבאית על האקדמיה. מגנטו, אף על פי שהיה אויב בעבר, מצטרף למאבק המשותף נגד האיום המשותף, ומראה צד אחר של דמותו. הסרט מדגיש את החשיבות של אחדות ושיתוף פעולה בין קבוצות שונות, גם אם הן מנוגדות, כדי להתמודד עם סכנות גדולות יותר. הדמויות מתמודדות עם השלכות הבחירות שלהן, ומקבלות תובנות חדשות לגבי מקומן בעולם. הסרט מסתיים בתקווה לעתיד טוב יותר, אך גם במודעות לכך שהמאבק על זכויות המוטנטים והקבלה החברתית עדיין רחוק מסיום. כך, "אקס-מן 2" ממשיך את המסורת של סדרת הסרטים בשילוב פעולה, מתח ודרמה אנושית עמוקה.
