超级病菌“金美拉”与抗生素在运输途中，被恐怖组织首领Sean Ambrose（由Dougray Scott饰演）劫持。Ethan Hunt（由Tom Cruise饰演）率领IMF团队，接受CIA的任务去追回这些物品。这一次，Ethan选择了与女窃贼Nyah Nordoff-Hall（由Thandie Newton饰演）合作，她曾是Sean Ambrose的旧情人。在获取Nyah信任的过程中，两人之间萌生了感情。然而，为了完成任务，Ethan不得不让Nyah回到Sean Ambrose身边，进行卧底工作。Nyah终于搞清楚了病毒隐藏在某药厂中的位置，Ethan收到信息后，前去药厂计划销毁病毒；与此同时，Sean Ambrose察觉到了Nyah的真正目的，并在药厂布下天罗地网，等着Ethan自投罗网。在激烈的冲突中，为了帮助Ethan完成任务，Nyah将病毒注入自己的身体。为了拯救Nyah，Ethan面临着一个新的不可能的任务：必须在20小时内将抗生素注射到Nyah体内，否则她将性命难保。