L’esperto di biochimica Dr. Vladimir Nekhorvich invia un messaggio all’FMI per Ethan Hunt, un suo vecchio amico, avvertendolo che il suo datore di lavoro, Biocyte Pharmaceuticals, lo ha costretto a sviluppare un’epidemia biologica per trarre profitto dal suo rimedio. Organizza un incontro con Ethan per consegnare il virus Chimera e la sua cura, Bellerophon. Con Ethan in vacanza e in incommunicado, l’FMI invia l’agente Sean Ambrose travestito da Ethan per incontrare Nekhorvich su un aereo passeggeri. Ambrose diventa un ladro, uccidendo Nekhorvich e rubando Bellerophon prima che i suoi uomini distruggano l’aereo.
Il comandante dell’FMI Swanbeck informa Ethan delle circostanze della morte di Nekhorvich e determinano che Ambrose sia responsabile. Swanbeck incarica Ethan di recuperare il virus e la sua cura, e gli ha fatto reclutare Nyah Nordoff-Hall, una ladra professionista che attualmente opera a Siviglia, in Spagna.Nyah è stata reclutata come parte della squadra per rintracciare Ambrose e la sua squadra poiché è l’ex ragazza di Ambrose. Ethan la convince con riluttanza a spiare Ambrose.
Ethan riunisce la sua squadra, l’esperto di computer Luther Stickell e il pilota Billy Baird, a Sydney, in Australia, dove si trovano i laboratori Biocyte e Ambrose risiede. Mentre Ethan mette in gioco Biocyte, Nyah riaccende la sua precedente relazione con Ambrose e trasmette le informazioni alla squadra di Ethan. Ad un evento di corse di cavalli, Ambrose incontra il CEO di Biocyte, John C. McCloy. Mostra a McCloy un video su scheda di memoria di Chimera che colpisce uno dei colleghi di Nekhorvich prima di ricattare McCloy per convincerlo a collaborare con lui. Nyah ruba la scheda di memoria della fotocamera e la consegna a Ethan. Apprendono che Chimera ha un periodo di dormienza di 20 ore prima che provochi la morte per distruzione di massa dei globuli rossi della vittima. Bellerophon può salvare la vittima solo se usato entro quella finestra di 20 ore. Quando Nyah restituisce discretamente la scheda di memoria a Ambrose, si accorge che è nella tasca sbagliata della giacca.
La squadra di Ethan rapisce McCloy per costringerlo a rinunciare a Bellerophon. Tuttavia, gli unici campioni di Bellerophon sono stati prelevati da Nekhorvich e ora sono nelle mani di Ambrose. Ambrose ha la cura, ma non ha il virus; a sua insaputa in quel momento, Nekhorvich si è iniettato Chimera per portarlo fuori da Biocyte Ambrose prevede di scambiare un campione di Bellerophon con McCloy con un campione di Chimera. La squadra di Ethan irrompe in Biocyte per distruggere il virus prima che lo scambio possa aver luogo. Ambrose, fingendosi Ethan, inganna Nyah facendogli rivelare il piano, quindi cattura Nyah e fa irruzione su Biocyte per proteggere il virus. Ethan è in grado di distruggere tutti i campioni tranne uno di Chimera prima che Ambrose intervenga, e ne consegue uno scontro a fuoco, che culmina con il campione che viene lasciato cadere sul pavimento tra Ambrose ed Ethan. Ambrose ordina a Nyah di recuperare il campione; lei invece si inietta con esso, impedendo ad Ambrose di ucciderla semplicemente dopo averlo recuperato per lui. Nyah insiste che Ethan la uccida per distruggere il virus, ma Ethan non è disposto a farlo. Ambrose porta via Nyah mentre Ethan fugge dal laboratorio.
Ambrose libera Nyah per vagare stordito per le strade di Sydney, con l’intenzione di scatenare una pandemia. Si offre di vendere Bellerophon a McCloy in cambio di stock option, per renderlo azionista di maggioranza di Biocyte. Prevede che il prezzo delle azioni di Biocyte salirà alle stelle a causa della domanda di Bellerophon dopo lo scoppio della Chimera. Ethan si infiltra nella riunione e ruba i campioni rimanenti di Bellerophon. Mentre Ethan è inseguito dagli uomini di Ambrose, Luther e Billy individuano Nyah, che ha vagato su una scogliera, intenzionata a uccidersi per prevenire l’eventuale esplosione. Ethan uccide gli uomini di Ambrose ma Ambrose lo insegue su una spiaggia dove Ethan lo sconfigge. lui in una brutale scazzottata. Con poco tempo a disposizione sul conto alla rovescia di 20 ore, Luther raggiunge Ethan in spiaggia. Mentre Ethan sta per dare a Luther il contenitore di Bellerophon, Ambrose si riprende e punta una pistola contro Ethan. Ethan lancia la bombola a Luther e salta via dal colpo di Ambrose mentre solleva una pistola dalla sabbia che usa per uccidere finalmente Ambrose. Luther inietta a Nyah il Bellerophon in tempo per curarla.
FMI cancella la fedina penale di Nyah ed Ethan inizia la sua vacanza con lei a Sydney.