L'agent Ethan Hunt est chargé de retrouver un virus nommé « la Chimère », tombé aux mains d'un certain Sean Ambrose, un ancien agent et collègue d'Ethan. Pour ce faire, ce dernier est secondé dans sa tâche par deux autres agents : Luther Stickell, qu'il avait recruté pour sa précédente mission, et un certain William Baird, dit « Billy ». Ethan a par ailleurs rallié à sa cause Nyah Nordoff-Hall, l'ancienne petite amie de Sean.
Ethan fait en sorte que Sean retrouve Nyah rapidement tout en prenant soin de lui insérer une puce indétectable (détectable uniquement grâce à un ordinateur que Luther possède). Sean Ambrose, Nyah et un de ses hommes de main, Hugh Stamp se rendent à un champ de course pour rencontrer un certain John C. McCloy et lui montrer une vidéo. Nyah substitue la vidéo à Sean et permet à Ethan et Luther de la visionner. On peut ainsi voir La Chimère qui infecte et détruit complètement les cellules d'un certain Dr Gradsky et montre qu'il est décédé 34 heures après avoir été contaminé.
Lorsque Nyah remet la carte numérique contenant la vidéo à Sean en essayant d'être discrète, on voit Sean qui a senti qu'elle avait remis la carte dans sa poche, sauf qu'elle l'a remise dans la mauvaise poche.
Sean comprend donc que Nyah est envoyée par l'unité MI et conçoit un plan pour piéger Ethan.
Pendant ce temps, Ethan capture McCloy et l'interroge puis avec Billy et Luther, il infiltre le bâtiment où le virus de la Chimère est stocké pour le détruire, comme ça Sean n'aura que le remède sans le virus et ne pourra pas devenir riche. Ethan détruit le virus in vitro et seulement deux des trois pistolets à injection car Sean et ses hommes arrivent à ce moment pour empêcher Ethan de détruire le virus.
Nyah apparaît alors et récupère le pistolet, mais au lieu de le remettre à Sean, elle s'injecte le virus. Ethan est contraint de fuir tout en enclenchant un compte à rebours de 20h qui est le temps qu'il lui reste pour donner l'antivirus à Nyah.
Lors de son infiltration dans un autre site de Biotech, Ethan combat un à un les hommes de Ambrose jusqu'à affronter Stamp. Stamp en sort visiblement victorieux et Sean abat Ethan en vidant son chargeur. Mais on peut constater qu'en fait Ethan avait mis un masque à l'apparence de Stamp et qu'il avait mis un masque à Stamp à son effigie. Ambrose est fou de rage et tous poursuivent Ethan qui est couvert par Luther et Billy en hélico.
À la fin d'une course poursuite, Ethan et Sean se battent et Ethan en sort victorieux. Il remet l'antivirus à Nyah que Luther et Billy ont récupéré entretemps et après un débriefing avec son chef, Ethan se prend des vacances à Sydney avec Nyah.