超级病毒“金美拉”和抗生素在运送途中，被恐惧组织头目SeanAmbrose（DougrayScott饰）盗走，EthanHunt（TomCruise饰）率领他的IMF小组同意中情局的任务，寻回病毒。这次，EthanHunt寻到了女飞贼NyahNordoff-Hall（ThandieNewton饰）搭档，后者是SeanAmbrose的前女友。EthanHunt在猎取Nyah信任的同时，二人也暗生情愫。然而，为了完成任务，EthanHunt不得不安排Nyah回到SeanAmbrose周围卧底。Nyah终于打探出病毒所在的药厂，接获情报的EthanHunt前往药厂预备销毁病毒；另一边，SeanAmbrose差不多察觉出了Nyah回到自己周围的真正目的，组织人马在药厂等待EthanHunt自投罗网。激烈的搏斗中，Nyah为了关心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。
