超级病毒“金美拉”和抗生素在运送途中，被恐怖组织喽罗Sean Ambrose（ Dougray Scott  饰）盗走，Ethan Hunt（Tom Cruise 饰）带领他的IMF小组接受中情局的使命，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。　　但是，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现已察觉出了Nyah回到自己身边的真正目的，组织人马在药厂等待Ethan Hunt自投罗网。　　激烈的搏斗中，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，才能抢救她的性命，Ethan Hunt又将面临不可能的使命。