超级病毒“金美拉”和抗生素在运送途中，被恐怖安排喽罗Sean Ambrose（ Dougray Scott 饰）盗走，Ethan Hunt（Tom Cruise 饰）带领他的IMF小组承受中情局的使命，找回病毒。
这次，Ethan Hunt找到了女飞贼Nyah Nordoff-Hall（Thandie Newton 饰）伙伴，后者是Sean Ambrose的前女友。Ethan Hunt在获取Nyah信赖的一起，二人也暗生情愫。
可是，为了完成使命，Ethan Hunt不得不安排Nyah回到Sean Ambrose身边卧底。
Nyah总算打探出病毒地点的药厂，接获情报的Ethan Hunt前往药厂预备毁掉病毒；另一边，Sean Ambrose现已发觉出了Nyah回到自己身边的真实意图，安排人马在药厂等候Ethan Hunt自投罗网。
剧烈的奋斗中，Nyah为了协助Ethan Hunt完成使命，将病毒注入了自己体内，只要在20个小时之内将抗生素注入Nyah体内，才干抢救她的性命，Ethan Hunt又将面对不可能的使命。
