超级病毒“金美拉”和抗生素在运送途中,被恐怖组织头目SeanAmbrose(DougrayScott饰)盗走,EthanHunt(TomCruise饰)率领他的IMF小组接受中情局的任务,找回病毒。 这次,EthanHunt找到了女飞贼NyahNordoff-Hall(ThandieNewton饰)搭档,后者是SeanAmbrose的前女友。EthanHunt在获取Nyah信任的同时,二人也暗生情愫。
但是,为了完成任务,EthanHunt不得不安排Nyah回到SeanAmbrose身边卧底。
Nyah终于打探出病毒所在的药厂,接获情报的EthanHunt前往药厂准备销毁病毒;另一边,SeanAmbrose已经察觉出了Nyah回到自己身边的真正目的,组织人马在药厂等待EthanHunt自投罗网。
激烈的搏斗中,Nyah为了帮助EthanHunt完成任务,将病毒注入了自己体内,只有在20个小时之内将抗生素注入Nyah体内,才能挽救她的性命,EthanHunt又将面临不可能的任务。