简驾车时出了车祸，伤愈后发现失去的记忆开始恢复，这对患失忆症的她来说真是意外。在私家侦探的帮助下她了解到：自己曾是联邦调查局的特工。受反恐怖组织头目伯吉斯的委派，去对付恐怖分子迪达。但她不知道，警匪两家正串通一气制造大案，为的是让政府意识到反恐怖组织的重要性，增加财政拨款，她自己只是这肮脏交易中的一个牺牲品。但现在，谁都以为早已不在人世的她再次出现，这引起伯吉斯的极大恐慌。了解了自己的过去，简也清楚目前的处境，但此刻的她已不是温文尔雅的女教师，做特工时练就的一身绝技要派上用场了，目标是当年的上司和整个犯罪集团。

1912年4月14日泰坦尼克号沉没后几乎所有幸存者被送回至纽约港口，唯独六名中国幸存者，他们获救后在24小时之内被美国驱逐出境，他们的逃生经历几乎不被记录，甚至被刻意抹去。本片由詹姆斯·卡梅隆监制，我们将跟随调查者，追寻这六人从人类史上最大海难中死里逃生的经历和人生轨迹，拆穿被掩盖一个世纪之久的谎言。

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……