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O longa conta a história do passado violento e romântico de Wolverine (Hugh Jackman), de seu complexo relacionamento com Dentes de Sabre (Liev Schreiber), e do ameaçador programa Arma-X. Wolverine encontra muitos mutantes pelo seu caminho, tanto familiares quanto novos, incluindo aparições surpresas de várias lendas do universo dos X-Men.