超級病毒「金美拉」和抗生素在運送途中，被恐怖組織頭目Sean Ambrose（ Dougray Scott飾）盜走，Ethan Hunt（Tom Cruise 飾）率領他的IMF小組接受中情局的任務，找回病毒。這次，Ethan Hunt找到了女飛賊Nyah Nordoff-Hall（Thandie Newton飾）搭檔，後者是Sean Ambrose的前女友。Ethan Hunt在獲取Nyah信任的同時，二人也暗生情愫。但是，為了完成任務，Ethan Hunt不得不安排Nyah回到Sean Ambrose身邊臥底。Nyah終於打探出病毒所在的藥廠，接獲情報的Ethan Hunt前往藥廠准備銷毀病毒；另一邊，Sean Ambrose已經察覺出了Nyah回到自己身邊的真正目的，組織人馬在藥廠等待Ethan Hunt自投羅網。激烈的搏斗中，Nyah為了幫助Ethan Hunt完成任務，將病毒注入了自己體內，只有在20個小時之內將抗生素注入Nyah體內，才能挽救她的性命，Ethan Hunt又將面臨不可能的任務。