Il regista e sceneggiatore Simon Kinberg aveva già co-scritto X-Men - Il ritorno (The Last Stand) del 2006, un adattamento della Saga della Fenice Nera che lasciò insoddisfatti sia lui che il co-sceneggiatore Zak Penn, spingendolo a voler realizzare una versione più fedele anni dopo.

Durante la lavorazione di X2 (2003), lo sceneggiatore Zak Penn convinse il regista Bryan Singer a non adattare ancora la Saga della Fenice Nera, ritenendo fosse 'troppo presto' per una storia così cosmica.

Dopo che X-Men: Giorni di un futuro passato (2014) aveva cancellato dalla timeline gli eventi di The Last Stand, Kinberg colse l'occasione per proporre un nuovo adattamento della Dark Phoenix Saga, più fedele al fumetto originale.

Nella sceneggiatura originale il film doveva includere il ritorno di Emma Frost e una nuova incarnazione dell'Hellfire Club (con personaggi come Harry Leland, Friedrich von Roehm, Fenris e Shinobi Shaw), poi sostituiti prima dagli Skrull e infine, dopo i reshoot, dai D'Bari come antagonisti principali.

Le riprese iniziarono il 28 giugno 2017 a Montreal con il titolo di lavorazione 'Teen Spirit' e si conclusero il 14 ottobre 2017, ma l'intero terzo atto fu poi rigirato a fine 2018 dopo che le proiezioni di prova avevano ricevuto reazioni negative.

Jessica Chastain accettò il ruolo di Vuk perché era interessata a una storia incentrata su personaggi femminili, dopo aver rifiutato altri ruoli in film di supereroi, ma non seppe il vero nome del suo personaggio finché non vide il film già uscito.

Jennifer Lawrence rivelò di aver convinto Kinberg a dirigere il film e di aver promesso di tornare nel cast solo se lui avesse accettato, nonostante la sua avversione per il trucco richiesto dal personaggio di Mystica.

Hans Zimmer, che aveva dichiarato di essersi ritirato dal genere supereroistico dopo Batman v Superman, accettò comunque di comporre la colonna sonora dopo essere rimasto colpito dalla narrazione e dalla visione di Kinberg, scrivendo nuovi temi per gli X-Men, Magneto e la Fenice.

Il film fu un enorme insuccesso commerciale, con una perdita stimata di 133 milioni di dollari, diventando uno dei più grandi flop al botteghino della storia, e ottenne inoltre due candidature ai Golden Raspberry Awards.

Il film è dedicato alla memoria del co-creatore degli X-Men Stan Lee, morto il 12 novembre 2018.