O agente Ethan Hunt (Tom Cruise) está afastado do trabalho de campo para a IMF, trabalhando apenas como treinador de novos agentes. Ele agora leva uma vida tranquila com Julia (Michelle Monaghan), com quem pretende se casar e que nada sabe sobre seu verdadeiro trabalho. Entretanto Ethan é chamado de volta à ativa quando uma de suas pupilas, Lindsey (Keri Russell), é capturada por Owen Davian (Philip Seymour Hoffman), um negociante de armas sem escrúpulos. Para resgatá-la é reunida uma nova equipe, formada por seu velho amigo Luther Stickell (Ving Rhames), o especialista em transportes Declan (Jonathan Rhys Meyers) e Zhen (Maggie Q).
