Dr. Vladimir Nekhorvich, expert în biochimie, trimite un mesaj către FMI pentru Ethan Hunt, un vechi prieten al său, avertizând că angajatorul său, Biocyte Pharmaceuticals, l-a forțat să se dezvolte o epidemie biologică pentru a profita de remediul său. El aranjează să se întâlnească cu Ethan pentru a elibera virusul Chimera și vindecarea acestuia, Bellerophon. Cu Ethan în vacanță și incomunicat, FMI îl trimite pe agentul Sean Ambrose deghizat în Ethan pentru a-l întâlni pe Nekhorvich într-un avion de pasageri. Ambrose devine necinstit, ucigându-l pe Nekhorvich și furându-l pe Bellerophon înainte ca oamenii săi să distrugă avionul.
Comandantul FMI Swanbeck îl informează pe Ethan despre circumstanțele morții lui Nekhorvich și decid că Ambrose este responsabil. Swanbeck îi atribuie lui Ethan recuperarea virusului. și vindecarea acestuia și îl face să-l recruteze pe Nyah Nordoff-Hall, un hoț profesionist care operează în prezent în Sevilia, Spania. Nyah a fost recrutat ca parte a echipei pentru a-l urmări pe Ambrose și echipa sa, deoarece ea este fosta iubită a lui Ambrose. Ethan o convinge fără tragere de inimă să o spioneze pe Ambrose.
Ethan își asamblează echipa, expertul în calculatoare Luther Stickell și pilotul Billy Baird, în Sydney, Australia, unde sunt amplasate laboratoarele Biocyte și Ambrose stă. Pe măsură ce Ethan scoate în evidență Biocyte, Nyah reaprinde relația sa anterioară cu Ambrose și transmite informații echipei lui Ethan. La un eveniment de curse de cai, Ambrose se întâlnește cu CEO-ul Biocyte, John C. McCloy. Îi arată lui McCloy un videoclip cu Chimera pe un card de memorie care îl afectează pe unul dintre colegii lui Nekhorvich înainte de a-l șantaja pe McCloy să coopereze cu el. Nyah fură cardul de memorie al camerei și îl livrează lui Ethan. Ei învață că Chimera are o perioadă de 20 de ore inactivă înainte de a provoca moartea prin distrugerea în masă a globulelor roșii ale victimei. Bellerophon poate salva victima numai dacă este utilizată în acea fereastră de 20 de ore. Când Nyah returnează discret cardul de memorie la Ambrose, observă că este în buzunarul greșit al jachetei.
Echipa lui Ethan îl răpește pe McCloy pentru a-l obliga să renunțe la Bellerophon. Cu toate acestea, singurele probe Bellerophon au fost luate de Nekhorvich și sunt acum în mâinile lui Ambrose. Ambrose are leac, dar nu are virusul; fără să știe el la acea vreme, Nekhorvich s-a injectat Chimera pentru a-l scoate din Biocit. Ambrose intenționează să schimbe un eșantion de Bellerophon cu McCloy pentru un eșantion de himeră. Echipa lui Ethan intră în biocit pentru a distruge virusul înainte ca schimbul să poată avea loc. Ambrose, care se prezintă ca Ethan, îl păcălește pe Nyah să dezvăluie planul, apoi îl captează pe Nyah și face raiduri pe Biocyte pentru a-și asigura virusul. Ethan este capabil să distrugă toate, cu excepția unui singur eșantion de himeră înainte ca Ambrose să intervină și are loc o luptă împotriva incendiilor, care culminează cu eșantionul căzut pe podea între Ambrose și Ethan. Ambrose îi ordonă lui Nyah să recupereze proba; în schimb, se injectează cu ea, împiedicându-l pe Ambrose să o omoare pur și simplu după ce a recuperat-o pentru el. Nyah insistă ca Ethan să o omoare pentru a distruge virusul, dar Ethan nu este dispus să o facă. Ambrose îl ia pe Nyah departe, în timp ce Ethan scapă din laborator.
Ambrose îl eliberează pe Nyah pentru a rătăci pe străzile din Sydney uimit, intenționând să declanșeze o pandemie. El se oferă să vândă Bellerophon către McCloy în schimbul opțiunilor pe acțiuni, pentru a-l face acționar majoritar al Biocyte. El prezice că prețul acțiunilor Biocyte va crește din cauza cererii pentru Bellerophon după izbucnirea Chimera. Ethan se infiltrează în ședință și fură restul de mostre de Bellerophon. În timp ce Ethan este urmărit de oamenii lui Ambrose, Luther și Billy o localizează pe Nyah, care a rătăcit spre o stâncă, intenționată să se sinucidă pentru a preveni eventuala izbucnire. Ethan îi ucide pe oamenii lui Ambrose, dar Ambrose îl urmărește pe o plajă unde Ethan îl învinge. el într-o luptă brutală cu pumnii. Cu puțin timp rămas la numărătoarea inversă de 20 de ore, Luther ajunge la Ethan pe plajă. În timp ce Ethan este pe cale să-i dea lui Luther canisterul Bellerophon, Ambrose se recuperează și îndreaptă cu arma spre Ethan. Ethan aruncă recipientul către Luther și sare departe de împușcătura lui Ambrose în timp ce aruncă o armă din nisip pe care o folosește pentru a-l ucide în cele din urmă pe Ambrose. Luther injectează Nyah cu Bellerophon la timp pentru a o vindeca.
FMI șterge dosarul penal al lui Nyah și Ethan își începe vacanța cu ea la Sydney.