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關於角色
金鋼狼的變種能力讓他成為X戰警成員中唯一能進行這趟旅行的人...。
休傑克曼是聯繫過去與未來的樞紐。休傑克曼在過去的十四年中曾七度飾演金鋼狼這個角色，他形容為「令人難以置信與罕見的禮物」。這個角色奠定了他演藝事業的基礎，但作為一名演員，他從未替自己設限。休傑克曼比任何人都更瞭解金鋼狼，他將羅根重回X戰警世界形容為「重生」。
「羅根長久以來第一次視自己為X戰警團隊的一員，」傑克曼繼續。「他開始認知到自己的憤怒就是他最大的武器。他是一名戰士，並且完全接受自己。作為唯一能治療自己的變種人，羅根自願進行時間旅行，以阻止X戰警所面臨到變種人末日的未來。」
金鋼狼的變種能力讓他成為X戰警成員中唯一能進行這趟旅行的人。辛格解釋，「回到這麼久的過去，足以將任何人的心靈粉碎。只有一個人具有這樣的再生能力，能承受這段過程，就是金鋼狼。由於他不會衰老，當金鋼狼的心靈回到過去年輕的自己身上，休傑克曼可以扮演兩個版本的角色。所以對我和休來說都是個大好機會。」
綜觀他們的歷史，查爾斯‧賽維爾曾試圖將X戰警的哲學灌輸到羅根身上，試圖接觸他，安撫他的憤怒。在《X戰警：未來昔日》中，角色卻調換了過來。如今羅根要說服年輕的查爾斯，要維持自己的信念。
「他們兩個之間有著一種有趣的詩意，」辛格表示。「在X戰警電影第一集中，賽維爾幫助羅根在X戰警中找到一席之地。在《X戰警：未來昔日》，金鋼狼必需要回到過去，幫助賽維爾重新站起來，拯救未來。」
這可能是金鋼狼最艱難的任務，他在電影中這麼說。「耐心不是我的專長。」
傑克曼十分高興回到X戰警，儘管他才剛結束《金鋼狼：武士之戰》的拍攝才幾個月，就立刻前往蒙特婁參與《X戰警：未來昔日》。這表示他不需要重新健身，只需要維持體態即可。但這並不表示他的鍛鍊很容易。這位演員的健身計畫是每天早上在髮型與化妝時間之前，進行45-90分鐘的鍛鍊。飲食控制也十分嚴格，主要都是水煮雞肉與蒸蔬菜。每兩小時吃一次，通常就在每一景或排練之間。拍攝特殊鏡頭之前，他還會進行15分鐘極端「打氣」運動，然後以每天45分鐘的健身房運動作結。
休傑克曼很感激有機會能跟荷莉貝瑞、伊恩麥克連、派崔克史都華重聚，自從第一部X戰警電影之後他們就一直是朋友，也包括了布萊恩辛格，也是透過他，傑克曼才在好萊塢有了突破。跟年輕的演員合作也是一大樂事。在某一個特別的對話場景，傑克曼與尼可拉斯霍特走過藍色走廊的布景，霍特說，「我記得我在八歲的時候，第一次看X戰警。」那時候，傑克曼瞭解到X戰警的世界已經變得有多具代表性。
系列中的另一位老將伊恩麥克連，他與辛格的演藝關係始於《誰在跟我玩遊戲》（Apt Pupil），該片由辛格擔任製作人與導演。從第一次合作以來，麥克連便驚嘆於辛格對於作品的熱情，還有他對觀眾的付出。麥克連同樣對觀眾十分尊重。以一名受過古典劇場訓練的演員而言，他從觀眾身上獲得能量與刺激，好帶出更棒的表演。
他認為自己的角色萬磁王是一個具有良心以及悲慘過去的男子，他的悲痛使他發掘出超凡的力量來吸引與控制金屬。從麥克連的觀點來看，萬磁王是最強大的變種人，至少在物裡面向上的最強者。他的悲傷與憤怒讓他背離這個社會，但在《X戰警：未來昔日》中，他與自己的對手合作，好讓變種人能夠存活下來。麥克連表示感謝他的新戲服，讓他的角色「看起來不是個隨口說說，而是非常認真的人。」讓人不會有所遲疑。
派崔克史都華這十四年來都飾演查爾斯‧賽維爾 / X教授，他的角色回歸《X戰警：未來昔日》絲毫不讓人意外。這個系列的成功令人印象深刻，史都華則是故事的引導者。此外，「詹姆士麥高維得花上一兩年才可能會看起來像我。」他開玩笑地說。
史都華很高興再次與辛格合作，他的眼界幫助界定了這系列電影的野心與成功。而這些年來，史都華也見證了某些改變，包括作品的規模。他過去從未拍攝過一部3D電影或自己的場景可以預先看到動畫的模樣。過程變得更為複雜，但也更精準，這些東西十分令史都華興奮，幾乎就像是最後駕駛X戰機那樣。此外，賽維爾這次有一台「真的會漂浮」的輪椅！他十分讚嘆。
蘇格蘭演員詹姆士麥高維再次飾演年輕的查爾斯，在這次的故事中他失去了希望，心靈受創，陷入從所未有的脆弱中。舒勒唐納描述道，「《X戰警：未來昔日》把背景設在他的進化過程中。」對麥高維而言，這個角色總是充滿了同情心。他可以觸及旁人，感受他們的痛苦，幫助他們度過難關，幫助他們成為更好更棒的人。
但如今查爾斯選擇封閉自己。他情感受傷，失去了他最親近的朋友瑞雯（魔形女），身體同樣受創，必須靠輪椅度日。麥高維決定這樣的查爾斯將展現出截然不同的特質。「詹姆士非常嚴肅地看待這個角色，以完全人性的角度接近這個角色，而非超人的觀點。」金柏格表示。「年輕的查爾斯是人，他所經歷的變動讓他更為真實可信。」
麥高維最深刻的一幕，便是與年老的自己互動，由派崔克史都華飾演，就在麥高維拍攝的第一天，而也是史都華拍攝期的最後一天。年輕的演員有些緊張。「這一幕是年輕查爾斯歷程的頂點，」他說，「但跟一個刻畫這個角色長達十四年的人進行對手戲，真的讓人有點不安。」兩名演員從未見過面，也幾乎沒有太多時間排演。麥高維建議兩個人應該面對面，鼻尖相碰地演出，史都華同意這樣的靠近可以帶出這樣親近關係的重要感。
「詹姆士剛到片場就辦到了，」辛格回憶道，「看兩個不同世代絕佳演員的演出，那樣細膩的表演，對每個人來說都非常難忘。」
麥克法斯賓達再次飾演《X戰警：第一戰》中年輕的艾瑞克‧藍歇爾 / 萬磁王。金柏格解釋他的角色，「某種程度上，他在這部電影中找到了自己的政治信條；他變得更有策略，更像是伊恩麥克連版本的萬磁王，具有一個政治目標，並且知道自己要怎麼改變這個世界。」
如同多數演員，比起在綠幕環境之下法斯賓達對於能在真實布景中演戲感到十分感激。他對於美術部門在布景製作的設計細節與精湛工藝感到印象深刻。他最喜歡的布景便是五角大廈的監獄，該處是他在前幾幕的家，也幫助演員更確定艾瑞克的性格。「這個監獄牢房給了我關於角色過去生活的靈感，」法斯賓達表示，「艾瑞克是如何度過這被囚禁的十年，讓我想到蓮花的主意。而『蓮花』則是艾瑞克的禪境，他在牢房中花上數個小時，盤腿冥想，聚集他的力量。」
法斯賓達的萬磁王與麥高維的賽維爾之間的主要衝突來自於瑞雯 / 魔形女。奧斯卡得主珍妮佛勞倫斯再次詮釋這位變種人，她在《X戰警：第一戰》中，尚未接受萬磁王的黑暗世界觀之前，曾是賽維爾寄予厚望的學生。如今，瑞雯成為了魔形女，轉而對抗人類。
「瑞雯在《X戰警：第一戰》事件之後的十年中獨立生活，」辛格說。「她不再是跟查爾斯一起長大的女孩，她也不是艾瑞克的信徒。她找到了自己的道路，一個復仇的道路，獵殺那些負責綁架、殺害還有對變種人進行實驗的人。同時，她也想報復崔斯克，這讓查爾斯心碎，因為他知道這將會引起一個非常黑暗的未來，最終導致變種人的毀滅。於是必須展開一場戰鬥好拯救未來，同時拯救瑞雯的靈魂。」
而堅定立於黑暗面的角色則是波利瓦‧崔斯克博士，由彼得丁拉基（Peter Dinklage）飾演。
崔斯克是巨大機器人兵器–哨兵的發明者。他的目標透過消滅人類的進化對手，變種人，以團結全人類。為了讓這個角色更有血有肉，辛格與金柏格替崔斯克創造出「在情感上十分合邏輯的理由」，說明他為什麼想獵殺並滅絕這些變種人。崔斯克並非那些只因為變種人與人類不同就想消滅他們的老套反派。
「崔斯克其實尋求和平，只是以某種扭曲的方式。」辛格闡述。「他相信變種人太過強大，他們會對人類種族產生威脅–因為變種人是更為先進的種族，就像是現代人之於尼安德塔人，」而現代人導致了尼安德塔人的滅絕。「所以他認為，使人們團結的最好方法就是找出一個可能導致人類滅絕的共通敵人。」
一個多層次反派的想法找上了彼得丁拉基。「彼得不單是帶來實質上的不同，同時也賦予了角色在情感與人性上的真正深度。」金柏格說。「靠著彼得，崔斯克這個角色變得真實可信。他是一個觀眾會關心的角色，即便他們反對這個角色。」
演員反過來讚揚辛格與金柏格所講述的故事，定在兩個不同的時期，還保持其完整性與邏輯。丁拉基著迷於這個角色–他的內在掙扎，情感與心理的堡壘，他跟其他人之間的關係。「查爾斯與艾瑞克的關係非常迷人，」丁拉基說。「那是非常美麗的連結。非常具有說服力的忠誠，對於那樣的老朋友，那個部分真的處理得非常非常好。」
奧斯卡得主荷莉貝瑞如今是第四次飾演她的角色暴風女。除了跟回到個角色與老朋友團聚之外，她覺得跟變種人之間有一種血緣連結。貝瑞認為她的角色是個老師，一個辛格在《X戰警》三部曲中所引導出來的方向。
然而，貝瑞承認暴風女不單只有書本與鉛筆。暴風女是較強大的變種人之一，她有效地保護X戰警免於被哨兵所追殺。「暴風女可以控制天候，當團隊進入戰鬥時，她是第一個派出的人物。」她解釋道。
獲奧斯卡提名的女演員艾倫佩姬（Ellen Page）回到X戰警世界，飾演凱蒂‧普萊德（Kitty Pryde），這個角色第一次是在《X戰警：最後戰役》中登場。而在《X戰警：未來昔日》中，凱蒂的能力讓她將金鋼狼的意識送回過去，以拯救變種人免於被哨兵所滅絕的命運。
佩姬表示，凱蒂是一個強壯、剽悍的女性角色，她相信X戰警的粉絲一定不會對故事感到失望，她認為這個故事完全就是「史詩級」。佩姬表示她在現場的每一天都被「絕讚的演員、超漂亮的戲服與驚人的布景」所包圍，非常刺激。她非常佩服辛格能夠掌控如此龐大規模的電影，金柏格能夠寫出如此精細複雜的劇本。對於其他演員，佩姬則認為他們「宛如傳奇人物，我能夠看到他們演出，真是太棒了。」
尼可拉斯霍特再次擔綱他在《X戰警：第一戰》中的角色，漢克麥考伊 / 野獸，而他的角色也面臨了情感上的衝擊。漢克對自己的藍色皮膚感到不自在，對自己的變種能力感到羞愧不安。在《X戰警：第一戰》事件之後的十年，他和查爾斯一同住在大宅中，發明了一種血清，可以抑制他和查爾斯的變種能力。查爾斯使用這個血清之後可以再次行走，但副作用則是失去他強大的心靈能力。除此之外，漢克與瑞雯之間的關係也將在《X戰警：未來昔日》中進一步探討，雖然他可以接受她的藍色模樣，漢克知道他對自己的藍色皮膚感到不安。
霍特非常感謝能有機會跟麥高維密切合作，他認為麥高維是一個近乎完美的演員。他們一同分析這些場景，麥高維的想法激發了霍特如何開拓兩個角色之間的關係。「參與《X戰警：未來昔日》對我產生不可抹滅的影響。」他說。「這部電影的製作如此驚人，橫跨兩個不同時空，幾十個角色各自有著獨立的故事和情感線。」
快銀（Quicksilver）是1970年場景另一名關鍵的變種人角色。年輕的查爾斯、羅根與漢克找上他，幫助他們從五角大廈的監獄中救出萬磁王。快銀的能力，就如同他的名字那般，有著驚人的超凡速度，在遇上X戰警之前，他以竊盜和青少年惡作劇為樂。「金鋼狼在未來認識快銀，」辛格說。「但在過去，他只是個有竊盜癖而且態度不佳的小鬼。他們尋求快銀協助的唯一方法，就是靠他愛好搗亂的性格，問他能不能從五角大廈中救出某人。」
辛格與攝影師紐頓湯馬斯席格，利用高速攝影機「魅影」和圖像聲波技術來拍攝闖入五角大廈與逃脫的場景，整部電影中技術最複雜與視覺上最吸引人的場景。這個場景的拍攝每一秒3000幀，快銀在五角大廈的廚房牆壁上奔跑，與地面平行。「我們從來沒有在電影中有過這樣的體驗。」辛格說。
這項技術需要在布景裝置超巨大的燈光，每個需要40000瓦的電力。「整個布景亮到不行，我們必須戴上墨鏡才能工作。」辛格補充道。「演員必須閉上眼睛，直到他們開始拍攝。」
尚恩艾許摩（Shawn Ashmore）飾演巴比 / 冰人（Iceman），同樣回到X戰警世界。在《X戰警：未來昔日》中，他與凱蒂、主教（Bishop）和鋼人（Colossus）同隊，在黑暗絕望的未來中逃亡。艾許摩說角色們因為他們的處境而變得更堅強。「他們長期處在極端的危險之中，」艾許摩說，「而凱蒂的傳送到下一刻的能力幾乎拯救了他們。」
艾許摩對於冰人能在冰滑梯這樣的高強度動作場景中展現他的能力感到很興奮，他回想說，「那一刻對我來說是終極的超級英雄時間。」
加拿大演員丹尼爾寇德摩爾（Daniel Cudmore）也同樣高興回到X戰警的世界。寇德摩爾的角色能夠將自己的皮膚變成活生生的鋼鐵，給他巨大的力量，和幾乎無法摧毀的能力。
法國演員歐馬希（Omar Sy），演出過《逆轉人生》（The Intouchables），飾演主教，新加入X戰警世界的變種人之一。出現在未來的主教是一位兇狠具有威脅性的角色。他的能力能夠吸收輻射與傳導能量，用來替他的等離子武器充能。主教也能透過凱蒂的幫助進行時間旅行，是黑暗未來中的一位關鍵變種人角色。主教的背景故事充滿了衝突與痛苦：他在眼睛上有一個M字的傷痕，是他被關在變種集中營所留下的傷痕。
亞當坎托（Adan Canto）的角色太陽黑子（Sunspot）能放出強大的太陽射線。為了了解自己的角色，坎托深入研究了太陽黑子的故事。他說太陽黑子是一個「忠誠而充滿熱情，但摯愛的死去讓他變得憤怒而叛逆。」
另一個新加入系列的角色是戰跡（Warpath），由布布史都華（Booboo Stewart）飾演。戰跡，又名詹姆斯‧傲星（James Proudstar），具有強化的感官，包括超強的視力、嗅覺與聽覺。戰跡也是幫助X戰警對抗哨兵進攻的未來變種人之一。X戰警在未來的避難所，一座修道院，是倖存變種人奮戰求存的避風港。戰跡是一位兵器大師，使用兩把十七吋的長刃。而史都華從三歲起就接受武術訓練，完美地適合這個角色。
電影系列的第三位新變種人是閃爍（Blink），由范冰冰飾演。閃爍的能力是傳送自己、他人和大型物體。她利用自己的能力來改變物品的位置，特別是她的敵人或大型投射武器。特效團隊利用她周圍的互動變化來展現這個能力，像是吹起、翻倒或移動修道院石柱，也是電影中幾次大型特效發揮的場景。
澳洲演員喬許赫爾曼（Josh Helman）飾演四度出現在X戰警電影中的角色，比爾‧史崔克（Bill Stryker）， 他在《X戰警2》、《X戰警：金鋼狼》和《X戰警：第一戰》中登場，每次都由不同演員所飾演。赫爾曼覺得他有很大的空間可以來表現他的角色。「比爾‧史崔克是一個非常複雜的角色，因為他即便沒有超能力卻依舊可以灌輸恐懼。」
盧卡斯提爾（Lucas Till）曾出現在《X戰警：第一戰》，再次扮演亞歷克‧桑瑪斯（Alex Summers），又名法官（Havok），他的變種能力是從身體射出宇宙能量。在《X戰警：未來昔日》中，法官被編入特殊變種人小隊在越南參戰，並且被魔形女所救，他們之間有一種有趣的情誼。