Hai năm sau khi Solomon Lane bị bắt giữ, phần còn lại của tổ chức Syndicate giờ đã thành lập nên một nhóm khủng bố tự mệnh danh là Tông đồ. Ethan Hunt được phân công để lấy được ba lõi hạt nhân plutonium tại Berlin trước khi lũ Tông đồ có thể bán chúng cho John Lark. Anh cùng Benji Dunn và Luther Stickell tham gia vào nhiệm vụ, nhưng lại thất bại khi Luther bị bắt làm con tin và Ethan phải lựa chọn để cứu mạng anh ấy, tạo nên cơ hội cho Tông đồ cướp được ba khối plutonium. Cả nhóm bắt cóc chuyên gia vũ khí hạt nhân Nils Debruuk và biết được rằng hắn đã chế tạo ba vũ khí hạt nhân cho bọn Tông đồ.

Chỉ huy CIA Erica Sloane giận dữ trước thất bại của IMF trong việc bảo vệ các khối plutonium và chỉ thị cho đặc vụ August Walker thuộc Cơ quan Hành động Đặc biệt đi theo Ethan và theo dõi anh trong quá trình giành lại số plutonium. Ethan và Walker xâm nhập vào một bữa tiệc tại Paris nơi được cho là sẽ diễn ra vụ mua bán plutonium giữa Lark và một kẻ buôn bán vũ khí có tên là Góa phụ Trắng. Họ lần theo kẻ được cho là Lark, và tham gia vào một vụ ẩu đả với hắn, dù vậy, kẻ được cho là Lark vẫn chiếm thế thượng phong cho tới khi hắn bị Ilsa Faust kết liễu ngay trước khi hắn kịp giết Hunt. Ethan giả làm Lark và cảnh báo Góa phụ Trắng về việc lũ Tông đồ đang cố gắng giết cô. Trong lúc đó, Walker đưa bằng chứng giả mạo cho Sloane và báo rằng có thể Hunt vốn chính là Lark, và kẻ mà Ilsa kết liễu chỉ là một bình phong.

Nhằm lấy lại số plutonium, Góa phụ Trắng đã yêu cầu Ethan phải giải cứu Lane khỏi chiếc xe nhà tù di động đang di chuyển trong Paris. Ả gửi trước cho Hunt một khối plutonium làm vật đặt cọc trước cho nhiệm vụ. Ethan và Walker tấn công chiếc xe khiến đoàn cảnh sát rượt đuổi theo họ, trong khi đó cấp dưới của Góa phụ Trắng cũng đuổi theo họ khắp Paris còn Benji và Luther thì giải cứu cho Lane. Ilsa xuất hiện và cố gắng giết Lane để chứng tỏ lòng trung thành của mình với MI6. Nhiệm vụ giải cứu Lane thành công và Góa phụ Trắng ra lệnh cho cả đội đưa Lane tới London.

Ở một địa điểm bí mật tại London, ngài Thư kí của IMF Alan Hunley đối chất với Ethan về việc liệu anh có phải John Lark. Ethan phủ nhận và Hunley yêu cầu anh phải từ bỏ nhiệm vụ. Cả đội lừa Walker phải thừa nhận hắn chính là Lark, và đang làm việc với Lane, và bọn Tông đồ đều nằm trong kế hoạch cướp lấy số plutonium và biến Ethan trở thành một kẻ khủng bố hạt nhân. Đội IMF báo lại với Sloane, nhưng Sloane đã lệnh cho CIA cản trở họ, tuy nhiên đội CIA lại thỏa hiệp với bọn Tông đồ và Walker đã lệnh cho chúng tấn công lại. Sau khi Walker giết Hunley và bỏ trốn, Ethan đã đuổi theo hắn khắp thành phố, nhưng lại thất bại trong việc bắt kịp hắn. Walker de dọa mạng sống của người vợ cũ đã xa cách của Ethan, Julia Meade, và đáp chuyến bay tới một trại y tế tại Kashmir với Lane.