Ethan Hunt (Tom Cruise) es advertido de que su amigo Vladimir Nekhorvich (Rade Serbedzija), bioquímico, ha sido asesinado por alguien con la apariencia del propio Hunt. Además, el asesino ha robado una muestra de “Quimera”, un arma biológica, y su antídoto, “Belerofonte”. La nueva misión “imposible” de Ethan Hunt será recuperar Quimera y evitar una catástrofe mundial. Para ello, contará con la ayuda del informático Luther Stickell (Ving Rhames) y el piloto Billy Baird (John Polson), y tendrá que reclutar a una ladrona profesional llamada Nyah (Thandie Newton) que en esos momentos opera en Sevilla, España.
El principal sospechoso es Sean Ambrose (Dougray Scott), antiguo compañero de filas de Hunt en el FMI y exnovio de Nyah. Por ello deciden que la joven vuelva a entablar contacto con Ambrose para obtener información.
Cuando Ambrose se reúne con McCloy (Brendan Gleeson) -director de la farmacéutica que creó ‘’Quimera’’- en un hipódromo, decide chantajearle y mostrarle videos en los que se ven los efectos del virus que han creado. Todo con tal de que el farmacéutico colabore con Ambrose. Nyah, que se encuentra presente, aprovecha un momento de distracción para reenviar esos videos a Hunt. Es así como el agente descubre que, una vez infectada, a la persona le quedan 20 horas de vida excepto que se le inyecte el antídoto.
Hunt y su equipo secuestran a McCloy y éste les informa de que la farmacéutica tiene el virus y lo único que robó Ambrose es el antídoto. Mientras, Ambrose se hace pasar por Ethan Hunt y se reúne con Nyah, quién acaba por revelarle sus planes. Ambrose secuestra a la joven y el equipo de Hunt se dispone a entrar en la farmacéutica para eliminar el virus. Allí se encuentra con Ambrose y Nyah, que decide inyectarse la última muestra del virus para que Ambrose no pueda matarla.
Ambrose decide dejar libre a Nyah por las calles de Sydney -sede de la farmacéutica- para que cree una pandemia. Él se reúne con McCloy para informarle de lo sucedido y su idea de convertirse en el mayor accionista de la farmacéutica, pues el precio de las acciones subirán una vez el virus se expanda.
El equipo se divide en dos: Ethan Hunt se infiltra en la reunión Ambrose-McCloy para robar todas las muestras del antídoto y Luther y Billy buscan a Nyah. Mientras Hunt lucha contra Ambrose -a quién acaba matando, junto a su equipo-, Luther y Billy encuentran a Nyah frente a un acantilado con la intención de suicidarse y evitar la propagación del virus. Hunt llega al lugar con el antídoto y salva a Nyah.
Finalmente, Hunt logra que el FMI borre el historial delictivo de Nyah y deciden pasar juntos las vacaciones en Sydney.