James McAvoy jako Charles Xavier / Profesor X, mutant, który posiada zdolność telepatii, pacyfista. Laurence Belcher zagrał Charlesa jako dziecko. Michael Fassbender jako Erik Lensherr / Magneto, mutant posiadający umiejętność manipulowania polem magnetycznym oraz metalem. Bill Milner zagrał Erika jako dziecko. Rose Byrne jako Moira MacTaggert, agentka CIA, która zaprzyjaźnia się z Xavierem i Lensherrem. January Jones jako Emma Frost, mutantka posiadająca zdolność telepatii i umiejętność zmiany swojego ciała w diament. Należy do Hellfire Club. Oliver Platt jako mężczyzna w czerni, agent CIA pracujący w Dywizji X, która współpracuje X-Menami. Kevin Bacon jako Sebastian Shaw, zmutowany były nazistowski naukowiec, który wcześniej nazywał się Klaus Schmidt. Został liderem Hellfire Club, grupy nastawionej na przejęcie władzy nad światem. Ma moc pochłaniania i przekierowywania energii. Jennifer Lawrence jako Raven Darkholme / Mystique, mutantka posiadająca zdolność zmiany swojego wyglądu. Rebecca Romijn, która zagrała Mystique w oryginalnej trylogii pojawiła się w roli cameo jako dojrzała Raven.