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(lǐng)他的IMF小組接受中情局的任務(wù)，找回病毒。
　　這次，Ethan Hunt找到了女飛賊Nyah Nordoff-Hall（Thandie Newton 飾）搭檔，后者是Sean Ambrose的前女友。Ethan Hunt在獲取Nyah信任的同時(shí)，二人也暗生情愫。
　　但是，為了完成任務(wù)，Ethan Hunt不得不安排Nyah回到Sean Ambrose身邊臥底。
　　Nyah終于打探出病毒所在的藥廠(chǎng)，接獲情報的Ethan Hunt前往藥廠(chǎng)準備銷(xiāo)毀病毒；另一邊，Sean Ambrose已經(jīng)察覺(jué)出了Nyah回到自己身邊的真正目的，組織人馬在藥廠(chǎng)等待Ethan Hunt自投羅網(wǎng)。
　　激烈的搏斗中，Nyah為了幫助Ethan Hunt完成任務(wù)，將病毒注入了自己體內，只有在20個(gè)小時(shí)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(wù)。