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,爲了完成任務,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前往藥廠準備銷毀病毒;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。
激烈的搏鬥中,Nyah爲了幫助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。