- 影片改编自六七十年代的同名电视连续剧。中情局向以吉姆为首的特工小组发来指令，一名特工人员已经叛国，将在布拉格的领事馆窃取中情局在东欧潜伏的特工名单，一旦落入坏人手中，后果将不堪设想。他们奉命获取该特工窃取情报的证据，并将其与买家逮捕。很快，在吉姆的策划下，一线主力伊森亨特和其他几名成员全部到位，不过当计划进行到一半时，情况突然急转直下，包括吉姆在内的小组成员相继殒命，情报失踪，只有伊森一人生还。精神几乎崩溃的伊森与上司见面，却因幸免遇难和帐户上突然多出的12万美元被指认为叛徒，原来失窃的是假情报，行动的真正目的是为了查出内奸。突出重围的伊森决定查出叛徒，而此时，同样侥幸生还的吉姆的妻子克莱尔与伊森重逢。 同买家麦克斯取得联系后，伊森承诺自己能够弄到特工名单，条件除了1000万美元外，还要其交出内奸。伊森找到中情局的两名停职特工，一行四人潜入兰利总部，成功窃取情报。赶到伦敦的伊森突然邂逅吉姆，在吉姆的谎言下，伊森逐渐理清脉络，吉姆和克莱尔应该是幕后真凶。不久，伊森、麦克斯、吉姆和中情局齐聚交易情报的火车，展开殊死搏斗。一番惊心动魄的交锋过后，伊森终于铲除内奸，重新回到特工行列。
- 超级病毒“金美拉”和抗生素在运送途中，被恐怖组织头目Sean Ambrose（ Dougray Scott 饰）盗走，Ethan Hunt（Tom Cruise 饰）率领他的IMF小组接受中情局的任务，找回病毒。 这次，Ethan Hunt找到了女飞贼Nyah Nordoff-Hall（Thandie Newton 饰）搭档，后者是Sean Ambrose的前女友。Ethan Hunt在获取Nyah信任的同时，二人也暗生情愫。 但是，为了完成任务，Ethan Hunt不得不安排Nyah回到Sean Ambrose身边卧底。 Nyah终于打探出病毒所在的药厂，接获情报的Ethan Hunt前往药厂准备销毁病毒；另一边，Sean Ambrose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Ethan Hunt自投罗网。 激烈的搏斗中，Nyah为了帮助Ethan Hunt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，Ethan Hunt又将面临不可能的任务。
- 资深特工伊森·亨特（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）也有百密一疏时刻，他在接收最新任务时遭到神秘组织“辛迪加”的暗算落入对方手中。辛迪加是一支由全球各地前特工组成的秘密组织，此前一直被CIA视为空穴来风。在对方成员伊莎·福斯特（丽贝卡·弗格森 Rebecca Ferguson 饰）的帮助下，伊森逃出生天，并及时向威廉•布莱德（杰瑞米·雷纳 Jeremy Renner 饰）汇报了辛迪加确切存在的消息。然而此时布莱德的日子并不好过，他负责的IMF机构因俄罗斯核弹头等事件遭到CIA指控并责令解散。在得知该组织密谋刺杀奥地利总统时，伊森联系上了老搭档班吉·邓恩（西蒙·佩吉 Simon Pegg 饰）展开行动，并于谜样女郎伊莎再度相会。 接下来的一连串事件中，辛迪加的真面目逐渐揭开，而他们也终于显露出真实的目的……
- 大洋深处，一艘俄罗斯潜水艇正在执行常规任务，但是突发意外导致潜艇爆炸，全体机组人员无一幸免。而这个谜一样的事故，还隐藏着一个足以颠覆世界的大秘密。此后不久，特工伊森·亨特接到任务，要去寻找两把造型独特的钥匙。钥匙组合在一起后能够控制不断进化并拥有独立思考能力的人工智能，从而可帮助政治家实现称霸世界的野心。不愿被政治家利用的伊森找到好搭档卢瑟·斯蒂克尔、班吉·邓恩和伊尔莎·浮士德，开始试图找到并摧毁钥匙，这也意味着他们将与全世界为敌。而在行动过程中，性感女贼格蕾丝无意卷入其中，使这场危险游戏变得愈加扑朔迷离……
