Der biochemische Experte Dr. Vladimir Nekhorvich sendet eine Nachricht an den IWF für Ethan Hunt, einen alten Freund von ihm, und warnt ihn, dass sein Arbeitgeber, Biocyte Pharmaceuticals, ihn zur Entwicklung gezwungen habe eine biologische Epidemie, um von ihrem Heilmittel zu profitieren. Er verabredet sich mit Ethan, um das Chimärenvirus und seine Heilung, Bellerophon, zu verbreiten. Mit Ethan im Urlaub und ohne Kontakt zur Außenwelt schickt der IWF den als Ethan getarnten Agenten Sean Ambrose, um Nekhorvich in einem Passagierflugzeug zu treffen. Ambrose wird Schurke, tötet Nekhorvich und stiehlt Bellerophon, bevor seine Männer das Flugzeug zerstören.
IWF-Kommandant Swanbeck informiert Ethan über die Umstände von Nekhorvichs Tod und sie stellen fest, dass Ambrose dafür verantwortlich ist. Swanbeck beauftragt Ethan mit der Wiederherstellung des Virus und seine Heilung, und lässt ihn Nyah Nordoff-Hall rekrutieren, einen professionellen Dieb, der derzeit in Sevilla, Spanien, tätig ist. Nyah wurde als Teil des Teams rekrutiert, um Ambrose und sein Team aufzuspüren, da sie Ambroses Ex-Freundin ist. Ethan überredet sie widerwillig, Ambrose auszuspionieren.
Ethan versammelt sein Team, den Computerexperten Luther Stickell und den Piloten Billy Baird in Sydney, Australien, wo sich Biocyte-Labors befinden und Ambrose sich aufhält. Während Ethan Biocyte absteckt, stellt Nyah ihre frühere Beziehung zu Ambrose wieder her und gibt Informationen an Ethans Team weiter. Bei einem Pferderennen trifft Ambrose den CEO von Biocyte, John C. McCloy. Er zeigt McCloy ein Speicherkartenvideo von Chimera, das einen von Nekhorvichs Kollegen betrifft, bevor er McCloy zur Zusammenarbeit erpresst. Nyah stiehlt die Speicherkarte der Kamera und liefert sie an Ethan. Sie erfahren, dass Chimera eine Ruhezeit von 20 Stunden hat, bevor sie durch Massenvernichtung der roten Blutkörperchen des Opfers zum Tod führt. Bellerophon kann das Opfer nur retten, wenn es innerhalb dieses 20-Stunden-Fensters verwendet wird. Wenn Nyah die Speicherkarte diskret an zurückgibt Ambrose bemerkt, dass es sich in der falschen Tasche seiner Jacke befindet.
Ethans Team entführt McCloy, um ihn zu zwingen, Bellerophon aufzugeben. Die einzigen Bellerophon-Proben wurden jedoch von Nekhorvich entnommen und befinden sich nun in Ambroses Händen. Ambrose hat das Heilmittel, aber das Virus nicht. Nekhorvich injizierte sich Chimera, um es aus Biocyte zu schmuggeln Ambrose plant, eine Probe von Bellerophon gegen eine Probe von Chimera gegen McCloy auszutauschen. Ethans Team bricht in Biocyte ein, um das Virus zu zerstören, bevor der Austausch stattfinden kann. Ambrose, der sich als Ethan ausgibt, bringt Nyah dazu, den Plan zu enthüllen, fängt dann Nyah ein und überfällt Biocyte, um das Virus zu sichern. Ethan ist in der Lage, alle bis auf eine Chimärenprobe zu zerstören, bevor Ambrose eingreift, und es kommt zu einem Feuergefecht, das dazu führt, dass die Probe zwischen Ambrose und Ethan auf den Boden fällt. Ambrose befiehlt Nyah, die Probe zu holen. sie spritzt sich stattdessen selbst ein und verhindert, dass Ambrose sie einfach tötet, nachdem sie es für ihn zurückgeholt hat. Nyah besteht darauf, dass Ethan sie tötet, um das Virus zu zerstören, aber Ethan ist nicht bereit, dies zu tun. Ambrose nimmt Nyah mit, als Ethan aus dem Labor entkommt.
Ambrose lässt Nyah benommen durch die Straßen von Sydney wandern, um eine Pandemie auszulösen. Er bietet an, Bellerophon an McCloy im Austausch gegen Aktienoptionen zu verkaufen, um ihn zum Mehrheitsaktionär von Biocyte zu machen. Er prognostiziert, dass der Kurs der Biocyte-Aktie aufgrund der Nachfrage nach Bellerophon nach dem Ausbruch der Chimäre in die Höhe schnellen wird. Ethan infiltriert das Treffen und stiehlt die restlichen Proben von Bellerophon. Während Ethan von Ambroses Männern verfolgt wird, finden Luther und Billy Nyah, die zu einer Klippe gewandert ist, um sich umzubringen, um den möglichen Ausbruch zu verhindern. Ethan tötet Ambroses Männer, aber Ambrose jagt ihn an einen Strand, an dem Ethan besiegt ihn in einem brutalen Faustkampf. Mit wenig Zeit für den 20-Stunden-Countdown erreicht Luther Ethan am Strand. Als Ethan Luther den Bellerophon-Kanister geben will, erholt sich Ambrose und richtet eine Waffe auf Ethan. Ethan wirft Luther den Kanister zu und springt von Ambroses Schuss weg, während er eine Waffe aus dem Sand wirft, mit der er Ambrose endgültig tötet. Luther injiziert Nyah rechtzeitig das Bellerophon, um sie zu heilen.
IWF löscht Nyahs Strafregister und Ethan beginnt seinen Urlaub mit ihr in Sydney.