超级病毒“金美拉”和抗生素在运送途中，被恐惧组织头目Sean Ambrose（ Dougray Scott 饰）盗走，Ethan Hunt（Tom Cruise 饰）率领他的IMF小组接受中情局的义务，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 Hut在获取Nyah信任的同时，二人也暗生情愫。
但是，为了完成义务，Ethan Hunt不得不布置Nyah回到Sean Ambrose身边卧底。
Nyah终于探听出病毒所在的药厂，接获情报的Ethan Hunt前往药厂预备销毁病毒；另一边，Sean Ambrose曾经发觉出了Nyah回到自己身边的真正目的，组织人马在药厂等候Ethan Hunt自投罗网。
