짐 펠프스(존 보이트) 휘하의 IMF 요원들은 NOC 요원 리스트가 대외적으로 알려지는 것을 막아야하는 임무를 받는다. 프라하에서 작전을 펼치던 중 팀원들이 차례차례 누군가의 습격으로 사망하고, 이를 확인하기 위해 현장으로 달려온 짐 펠프스마저 흉부에 총을 맞아 다리 밑으로 추락한다. 유일하게 살아남은 이단 헌트(톰 크루즈)는 IMF 측에 상황을 알리고 도움을 요청한다. 하지만 IMF는 이단 헌트를 내부 스파이로 규정하고 체포하려 한다. 자신의 누명을 벗고 진짜 배신자를 찾기 위해 이단은 도망친다. 본부에서 휴식을 취하던 이단에게 죽은 줄 알았던 짐의 아내이자 팀원인 클레어(엠마뉘엘 베아르)가 찾아오고, 이단 헌트는 의심스러운 클레어와 불가능한 임무에 도전한다.