Swoje role z poprzednich filmów powtórzyli: Shawn Ashmore jako Bobby Drake / Iceman, mutant umiejący kontrolować lód; Daniel Cudmore jako Peter Rasputin / Colossus, mutant, który potrafi zamienić swoje ciało w metal; Lucas Till jako Alex Summers / Havok, mutant, który ma zdolność pochłaniania energii i wyładowywania jej w postaci wybuchów; Famke Janssen jako Jean Grey, mutantka posiadająca zdolności telekinetyczne i telepatyczne; James Marsden jako Scott Summers / Cyclops, mutant posiadający zdolność generowania wiązek energii z oczu; Anna Paquin jako Marie D’Ancanto / Rogue, mutantka, która poprzez fizyczny kontakt potrafi odebrać siły życiowe, poznać czyjeś wspomnienia, a w przypadku mutantów – używać ich mocy. Janssen, Marsden i Paquin pojawiają się w rolach cameo.
W filmie wystąpili również: Josh Helman jako William Stryker, wojskowy, który nienawidzi mutantów; Evan Peters jako Pietro Maximoff / Quicksilver, mutant posiadający umiejętność szybkiego poruszania się; Zehra Leverman jego matkę; Omar Sy jako Bishop, mutant absorbujący energię i emitujący ją z powrotem w wybranym momencie; Fan Bingbing jako Blink, mutantka wytwarzająca portale służące do teleportacji;