In dieser Serie sind ein großer Teil der X-Men Teenager, die unter der Mentorenschaft von Professor Charles Xavier (Professor X) in die Midtown High School der Stadt Bayville gehen. Sowohl innerhalb und außerhalb des Schulhofes müssen sie sich den Attacken der Bruderschaft der Mutanten unter Direktor Raven Darkholme (Mystique) erwehren, die auf dieselbe Schule gehen. Die erste Staffel endet mit dem Kampf der X-Men gegen ihren Erzfeind Magneto. In der zweiten Staffel kämpfen die X-Men einen Zweifrontenkrieg, sowohl gegen Magnetos neue Terrorgruppe, die Akolyten, als auch gegen die riesigen Sentinel-Kampfroboter des finsteren Bolivar Trask. Die dritte Staffel beschreibt den Aufstieg des bösen Urmutanten Apocalypse, der in der vierten Staffel besiegt wird.
Die X-Men bestehen im Wesentlichen aus den Teenagern Cyclops, Jean Grey, Shadowcat, Spyke und Nightcrawler, bis im Laufe der Serie Rogue hinzukommt und Spyke dafür geht, und den Erwachsenen Professor X, Wolverine, Storm und Beast. Später werden sie durch jüngere Mutanten wie Iceman, Magma, Berzerker, Multiple und Moonstar ergänzt. Die Bruderschaft setzt sich anfangs aus den Jugendlichen Blob, Toad, Avalanche, Quicksilver und Boomboom zusammen, die von der erwachsenen Direktorin Mystique geleitet werden. Als weitere Feinde kommen im Laufe der Serie der Superschurke Magneto sowie die Akolyten Gambit, Colossus, Pyro und Sabretooth hinzu, später Quicksilvers Schwester Scarlet Witch, und am Ende kommt der böse Urmutant Apocalypse.