一位医学博士研制出一种威力巨大的新型病毒“金美拉”，为保证运送安全请求中情局提供援助，孰料被扮作伊森的前中情局特工肖恩谋害，并窃取了病毒资料。伊森受命找到肖恩并获取相关情报，而在这之前，伊森必须得到女神偷奈雅的帮助，因为奈雅是肖恩的前女友，是接近肖恩的唯一人选。在获取奈雅信任的同时，伊森和奈雅萌生爱意。在制造奈雅被捕的假情报后，肖恩如期将奈雅救出，接到自己住处，不过肖恩已经怀疑奈雅的到来另有图谋。伊森和奈雅终于在赛马场接头并获知了情报内容，而同时肖恩已经察觉奈雅不仅奉命卧底，还与伊森坠入爱河。怀恨在心的肖

中情局获得情报，得知他们的特工中出了一个叛徒，准备将中情局布置在东欧的特工名单出卖给外国特工组织。在特工头目吉姆的策划下，伊森所住的一组特工赶往了他们交易的地点。岂料，当他们按计划赶到时，却中了埋伏，一组人中除了伊森和吉姆的妻子克莱尔。这时，伊森的账户无端端多出了12万美金。伊森成了内鬼的最大的嫌疑犯。无奈之下，伊森只能凭个人之力独闯龙潭虎穴去找出出卖他们的内奸。他和外国间谍组织的接头人麦克斯取得联系后，答应帮麦克斯偷出中情局的间谍名单以交换中情局内鬼的名字。

特工汉纳威执行任务时遇害，核机密文件被女杀手莫伦截获。为了找回文件，特工班吉和简从俄罗斯监狱救出了亨特。他们接受的幽灵协议任务便是从克林姆林宫盗取核军事密码。当他们接近目标时，却发现恐怖分子亨德里克斯捷足先登，抢走了核军事密码。在爆炸中，亨特受困医院，遭俄特工追捕。亨特的上司也在混乱中丧生，剩下其助手布兰德与亨特死里逃生，加上班吉和简，逼上绝境的四人开始了最后一搏

伊森·亨特（汤姆·克鲁斯 饰）需要承受自己过去行为所造成的后果，导致整个IMF任务小组都陷入危险。

资深特工伊森·亨特也有百密一疏时刻，他在接收最新任务时遭到神秘组织“辛迪加”的暗算落入对方手中。辛迪加是一支由全球各地前特工组成的秘密组织，此前一直被CIA视为空穴来风。在对方成员伊莎·福斯特的帮助下，伊森逃出生天，并及时向威廉•布莱德汇报了辛迪加确切存在的消息。然而此时布莱德的日子并不好过，他负责的IMF机构因俄罗斯核弹头等事件遭到CIA指控并责令解散。在得知该组织密谋刺杀奥地利总统时，伊森联系上了老搭档班吉·邓恩展开行动，并于谜样女郎伊莎再度相会。 接下来的一连串事件中，辛迪加的真面目逐渐揭开，而他们

超级病毒“金美拉”和抗生素在运送途中，被恐怖组织头目Sean Ambrose盗走，Ethan Hunt率领他的IMF小组接受中情局的任务，找回病毒。这次，Ethan Hunt找到了女飞贼Nyah Nordoff-Hall搭档，后者是Sean Ambrose的前女友。Ethan Hunt在获取Nyah信任的同时，二人也暗生情愫。但是，为了完成任务，Ethan Hunt不得不安排Nyah回到Sean Ambrose身边卧底。Nyah终于打探出病毒所在的药厂，接获情报的Ethan Hunt前往药厂准备销毁病毒；