История начинается в XIX веке. Маленькие братья Джеймс и Виктор вместе сбегают из дома после трагической смерти отца. На протяжении следующих десятилетий они сражаются бок о бок во всех крупных войнах — от Гражданской войны в США до Вьетнама.
Их объединяет мутация: сверхчеловеческая регенерация, обострённые чувства и когти, которые выдвигаются из костяшек пальцев (у Виктора они длиннее и острее).
Во время войны во Вьетнаме Виктор теряет контроль над яростью и убивает офицера. Их приговаривают к расстрелу, но казнь не удаётся. Братья попадают в поле зрения майора Уильяма Страйкера, который собирает команду мутантов для выполнения секретных и грязных операций.
Джеймс, взявший прозвище Логан (Росомаха), и Виктор входят в отряд Страйкера «Команда Икс». В состав команды входят и другие будущие мутанты: Уэйд Уилсон (Болтливый наёмник), Джон Рэйт (Кестрел), Фред Дьюкс (Пузырь) и другие.
Во время миссии в Нигерии по поиску редкого метеорита Логан становится свидетелем того, как команда убивает мирных жителей. Он не может мириться с жестокостью Виктора и Страйкера и уходит из отряда, заявив, что больше не хочет убивать.
Проходит шесть лет. Логан живёт в уединении в горах Канады, работает лесорубом и встречается с учительницей Кайлой. Он пытается забыть о прошлом.
Страйкер находит Логана и сообщает, что кто-то методично убивает оставшихся членов «Команды Икс». Жертвой становится возлюбленная Логана, Кайла. Логан понимает, что за этим стоит его брат Виктор.
В жажде мести и желания стать сильнее, чтобы убить Виктора, Логан соглашается на участие в эксперименте Страйкера — программе «Оружие Икс». В ходе болезненной процедуры его скелет покрывают сверхпрочным металлом адамантием.
Став практически неуязвимым, Логан узнаёт страшную правду: Страйкер проводил эксперименты не только над ним. Он использовал Кайлу, чтобы манипулировать им. Более того, Страйкер охотится на молодых мутантов для нового проекта.
Логан сбегает из лаборатории, но в результате эксперимента частично теряет память (из-за выстрела пулей из адамантия). Теперь он известен как Росомаха. Он объединяется с другими мутантами, включая молодого Скотта Саммерса (Циклоп), чтобы остановить Страйкера.
Финальная битва разворачивается на острове, где Страйкер создал гигантского мутанта-убийцу — Оружие XI, собранного из тел погибших членов команды, включая Уэйда Уилсона (теперь он — Дэдпул, с зашитым ртом).
В жестокой схватке Росомаха побеждает Оружие XI с помощью Виктора (который временно объединяется с братом против общего врага) и Циклопа.
Логан находит Страйкера, но тот успевает выстрелить в него пулей из адамантия. Это вызывает у Логана полную амнезию. Последнее, что он помнит — как Кайла рассказывает ему легенду о росомахе.
Росомаха уходит в неизвестность, а Страйкера арестовывают военные за связи с мутантами. В финальной сцене мы видим зашитый рот Дэдпула, который медленно открывает глаза.
Фильм раскрывает происхождение одного из самых популярных героев вселенной «Людей Икс», показывая его трагический путь от простого человека до легендарного Росомахи.