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盗走。Ethan Hunt领导着IMF小组，接受中情局的任务，必须找回病毒。这次，Ethan Hunt找到了女飞贼Nyah Nordoff-Hall的毛病，她曾经是Sean Ambrose的前女友。在获取Nyah的信任的同时，Ethan Hunt和她之间也产生了情感。然而，为了完成任务，Ethan Hunt不得不安排Nyah回到Sean Ambrose身边卧底。Nyah最终打探出病毒所在的药厂的情报，而Ethan Hunt则前往药厂准备烧毁病毒。与此同时，Sean Ambrose已经察觉到Nyah回到自己身边的真正目的，他的组织人员在药厂等待着Ethan Hunt自投罗网。在激烈的屠杀中，Nyah为了帮助Ethan Hunt完成任务，将病毒注入了自己的体内。现在，Ethan Hunt必须在20个小时之内将抗生素注入Nyah的体内，才能拯救她的生命。他面临着一项几乎不可能完成的任务。
