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（ 多格雷·斯科特 饰）盗走，伊森 （汤姆·克鲁斯 饰）率领他的IMF小组接受中情局的任务，找回病毒。
这次，伊森找到了女飞贼Nyah Nordoff-Hall（桑迪·牛顿 饰）搭档，后者是Sean Ambrose的前女...友。伊森在获取Nyah信任的同时，二人也暗生情愫。
但是，为了完成任务，伊森不得不安排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伊森自投罗网。
激烈的搏斗中，Nyah为了帮助伊森完成任务，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，伊森又将面临不可能的任务。
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