Patrick Stewart som Charles Xavier / Professor X: En mektig telepatisk mutant, som grunnla en skole for yngre mutanter. Xavier er en pasifist som ønsker at mennesker og mutanter mutants kan leve sammen i harmoni. Hugh Jackman som Logan / Wolverine: En mystisk mutant som sliter med amnesia, som husker lite fra sitt tidligere liv. Ian McKellen som Erik Lehnsherr / Magneto: en alliert av Xavier. Han tror mutanter er bedre enn vanlige mennesker, og at en krig er underveis mellom mutanter og mennesker. Han sitter i fengsel etter den tidligere film, og blir utnyttet av William Stryker for informasjon om Cerebro ved Xavier Institute. Halle Berry som Ororo Munroe / Storm: En afrikansk mutant, som kan kontrollere været, er lærer ved Xavier's skole. Famke Janssen som Dr. Jean Grey: En lærer ved Xaviers skole, som har romantiske følelser for Wolverine. James Marsden som Scott Summers / Cyclops: Lederen for X-Men, og lærer ved Xaviers Institute. Rebecca Romijn-Stamos som Raven Darkhölme / Mystique: Magneto's formskiftende håndlanger. Brian Cox som oberst William Stryker: En militær forsker som ønsker omfattende folkemord mot alle mutanter. Alan Cumming som Kurt Wagner / Nightcrawler: En tysk mutant som ble utnyttet av Stryker i forsøk på å myrde USAs president for å kvitte seg med X-Men. Bruce Davison som Senator Robert Kelly. Anna Paquin som Marie / Rogue: En ung jente som også er mutant. Shawn Ashmore som Bobby Drake / Iceman: Rogues kjæreste. Han kan fryse objekter, og skape is. Aaron Stanford som John Allerdyce / Pyro: Venn av Bobby and Rogue. En mutant som kan skape ild. Kelly Hu som Yuriko Oyama / Deathstrike: En kvinnelig mutant som ble kontrollert av Stryker. Daniel Cudmore som Peter Rasputin / Colossus: En mutant som kan gjøre sin egen kropp til metall.