超級病毒“金美拉”和抗生素在運送途中，被恐怖組織頭目SeanAmbrose（DougrayScott飾）盜走，EthanHunt（TomCruise飾）率領他的IMF小組接受中情局的任務，找回病毒。這次，EthanHunt找到了女飛賊NyahNordoff-Hall（ThandieNewton飾）搭檔，后者是SeanAmbrose的前女友。EthanHunt在獲取Nyah信任的同時，二人也暗生情愫。但是，為了完成任務，EthanHunt不得不安排Nyah回到SeanAmbrose身邊臥底。Nyah終于打探出病毒所在的藥廠，接獲情報的EthanHunt前往藥廠準備銷毀病毒；另一邊，SeanAmbrose已經察覺出了Nyah回到自己身邊的真正目的，組織人馬在藥廠等待EthanHunt自投羅網。激烈的搏斗中，Nyah為了幫助EthanHunt完成任務，將病毒注入了自己體內，只有在20個小時之內將抗生素注入Nyah體內，才能挽救她的性命，EthanHunt又將面臨不可能的任務。