L'agente della CIA Ethan Hunt è nei guai sia perché il suo superiore, Jim Phelps, è caduto in una trappola a Praga, assieme a tutti gli agenti della squadra, ad eccezione della propria moglie, Claire, sia perché il direttore Kittridge lo sospetta di doppio gioco. Indagando su Internet, l'agente scopre che un certo Job, il traditore, vuole fornire la lista dei nomi degli agenti speciali in Oriente a Max, nome in codice di una donna che gestisce parte dell'ex servizio spionistico sovietico. A lei Ethan, dopo aver rivelato che il "dischetto" contiene solo parte della lista ed era un'esca per eliminare lui ed i suoi, promette di consegnare l'elenco al completo. Per far questo si avvale di due professionisti ex agenti come Krieger e Luther presentatigli da Claire che decide di affiancarlo nella rischiosa operazione. Il gruppo ora organizza, introducendosi in abiti da vigili del fuoco ed usando validissime attrezzature uno spericolato colpo nel cuore stesso della CIA: trafugare su un "dischetto" i dati dal computer generale. A Londra riappare "misteriosamente" Jim: pur in gravi condizioni, prende anche lui il treno Londra-Parigi sul quale deve avvenire la consegna a Max. Ma sul treno c'è anche Kittridge con i suoi uomini. Ottenuto il "dischetto", Max indirizza per la ricompensa Ethan nel bagagliaio, dove Jim attende la moglie, che gli chiede di risparmiare Ethan, tenendosi il denaro, e svelando così la sua complicità nella trappola organizzata dallo stesso Jim. Ma in realtà è Ethan, truccato da Jim che la sta ascoltando. Il vero Phelps non tarda a sopraggiungere, ma l'incontro è televisto, tramite speciali occhiali, da Kittridge, che ora sa la verità. Phelps tenta di involarsi con un elicottero guidato da Krieger, altro complice, ed Ethan ha il suo da fare per impedire la fuga ed abbattere il velivolo. Hunt viene così reintegrato e i suoi genitori (imprigionati ingiustamente per ricattarlo) liberati. Il malvagio Sean Ambrose si è impadronito di Chimera, un virus creato in laboratorio che produce effetti letali sul sistema nervoso dell'essere umano. Il piano del perfido Sean prevede di vendere su scala mondiale al miglior offerente l'antidoto al virus, un medicinale denominato Oloferne. Bisogna quindi interrompere questo perverso meccanismo. L'unico in grado di porvi rimedio è l'agente Ethan Hunt. Immediatamente contattato e convinto ad occuparsi del caso, Ethan va prima in Spagna: qui fa fuoco e fiamme per attirare l'attenzione della bella Nyah, ladra internazionale, e averla a fianco nell'ardua impresa che li aspetta. Dalla Spagna si passa in Australia: qui c'è la casa di Ambrose, ex agente collega di Hunt ma ora suo temibile rivale. E non solo sul campo, ma anche in amore: perché Nyah attira l'attenzione di entrambi e diventa una pedina fondamentale. La lotta procede senza esclusione di colpi, e uno stratagemma fondamentale diventa quello del travestimento, dell'uso di maschere con il volto di 'altri', per confondere e sviare i piani. L'ultimo duello tra Ethan e Sean si combatte su moto, con coltelli, pistole, pugni. Alla fine il cattivo Ambrose è vinto, il mondo è salvo. Ethan e Nyah possono godersi la meritata vacanza.