伊森·亨特（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）带领IMF小队继续与AI智体对抗，打响终极之战。

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。

伊森·亨特和队友们接到了追回三个大杀伤性核武器的任务。眼见任务马上就能完成，但为了挽救其中一位队友卢瑟的生命，三个核武器被人趁机带走。中情局负责人斯隆女士调来她手下的得意猛将沃克，让他盯着伊森·亨特完成追回核武器的任务。期间，女特工伊尔莎突然出现，伊森·亨特发现，他要面对的并不只是恐怖分子，还有潜藏在政府部门的内鬼。

秘密特工伊森（汤姆•克鲁斯 Tom Cruise 饰）隐藏了真实身份，准备和女友安心生活。这时，他突然接到了上级的电话。超市接头时，同僚向他传达了新的任务命令。任务中，他和黑人老搭档以及两位女将林赛（凯丽•拉塞尔 Keri Russell 饰）和珍（李美琪Maggie Q 饰）并肩作战，在攻入某大厦寻找一个名叫“兔子腿”的证物时，不幸中了埋伏，结果林赛当场阵亡。因为被控失职，汤姆身心背负了巨大的痛苦，在跟上司闹翻之后，他执着地追查着这起事故的起因，却在死者遗留的秘密视频中发现了一个惊天大秘密。为了给死者报

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。