Después de luchar contra el crimen organizado como el mercenario sabelotodo Deadpool durante dos años, Wade Wilson no consigue matar a uno de sus objetivos en su aniversario con su novia Vanessa. Esa noche, después de que la pareja decida formar una familia juntos, el objetivo persigue a Wade y mata sin querer a Vanessa. Wade mata a todos los hombres menos a uno en venganza, antes de arrastrarlos a ambos a la trayectoria de un camión que se aproxima. Culpándose de la muerte de Vanessa, intenta suicidarse seis semanas después haciéndose explotar. Wade tiene una visión de Vanessa en el más allá, pero sigue vivo gracias a sus habilidades curativas y su cuerpo es recompuesto por Colossus. A Wade sólo le queda una ficha de Skee-Ball, un regalo de aniversario, como último recuerdo de Vanessa.

Al recuperarse en la Mansión X, Wade acepta a regañadientes unirse a los X-Men porque cree que Vanessa lo habría querido. Él, Coloso y Negasonic Teenage Warhead responden a un enfrentamiento entre las autoridades y el joven mutante inestable Russell Collins / Firefist en un orfanato propiedad de la Corporación Essex, etiquetado como "Centro de Reeducación Mutante". Al darse cuenta de que Russell ha sido maltratado por el personal del orfanato, Deadpool mata a uno de los miembros del personal antes de ser retenido por Coloso, y tanto Wade como Russell son arrestados. Equipados con collares supresores de energía, son llevados a la Caja de Hielo, una prisión aislada para criminales mutantes. Mientras tanto, Cable, un soldado cibernético del futuro, viaja al pasado para matar a Russell.

Cable irrumpe en la Caja de Hielo y ataca a Russell. Wade, a quien se le rompe el collarín en la pelea, intenta defender a Russell. Después de que Cable se lleve la ficha de Vanessa, Wade se obliga a sí mismo y a Cable a salir de la prisión, pero no antes de que Russell escuche a Wade negar que se preocupa por el joven mutante para protegerlo. A punto de morir de nuevo, Wade tiene otra visión de Vanessa en la que le convence para que ayude a Russell. Deadpool organiza un equipo llamado X-Force para sacar a Russell de un convoy de traslado de prisioneros y defenderlo de Cable. El equipo se lanza al asalto del convoy en paracaídas, pero todos los miembros mueren durante el aterrizaje excepto Deadpool y la afortunada Domino. Mientras luchan contra Cable, Russell libera a su compañero Juggernaut, que accede a ayudar a Russell a matar al abusivo director del orfanato. Juggernaut destruye el convoy, parte en dos a Deadpool y escapa junto a Russell.

Mientras se recupera, Cable se ofrece a trabajar con Wade y Dominó para impedir que Russell mate al director; en el futuro, Russell consigue matar al director y se convierte en un asesino en serie, que acaba quemando viva a la familia de Cable. Wade acepta con la condición de que Cable le dé la oportunidad de convencer a Russell. En el orfanato, son dominados por Juggernaut mientras Russell persigue al director hasta que Coloso, que al principio se había negado a ayudar debido a las costumbres asesinas de Deadpool, llega para distraer a Juggernaut. Cuando Deadpool no consigue aplacar a Russell, Cable dispara al joven mutante. Deadpool salta delante de la bala mientras lleva el collar de la Caja de Hielo y muere, reuniéndose con Vanessa en el más allá. Al ver este sacrificio, Russell no mata al director, lo que cambia el futuro para que la familia de Cable sobreviva. Cable utiliza la última carga de su dispositivo de viaje en el tiempo, que necesitaba para volver con su familia, para retroceder varios minutos y atar la ficha de Vanessa frente al corazón de Wade. Ahora, cuando Deadpool recibe la bala por Russell, ésta es detenida por el token y ambos sobreviven, mientras que Russell aún tiene su cambio de opinión. Después, el director es atropellado y asesinado por el amigo de Wade y taxista Dopinder.

En una secuencia a mitad de los créditos, Negasonic Teenage Warhead y su novia Yukio reparan el dispositivo de viaje en el tiempo de Cable para Deadpool. Éste lo utiliza para salvar la vida de Vanessa y de Peter, miembro de X-Force, y mata tanto a la versión de X-Men Orígenes: Lobezno como a Ryan Reynolds después de terminar de leer el guión de Linterna Verde, y luego contempla la posibilidad de matar al bebé Adolf Hitler.