スーパーウイルス「キメラ」と抗生物質は、輸送中にテロ組織のリーダーであるショーン・アンブローズ（ダグレイ・スコット）によって盗まれ、イーサン・ハント（トム・クルーズ）は彼のIMFチームを率いてウイルスを回収するというCIAの任務を受け入れた。今回、イーサン・ハントがパートナーを見つけたのは、ショーン・アンブローズの元恋人である女性密告者のニャー・ノードフ＝ホール（タンディ・ニュートン）だった。イーサン・ハントがニャーの信頼を得る一方、二人は密かに恋に落ちた。しかし、任務を完了するために、イーサン・ハントはナイアが秘密捜査官としてショーン・アンブローズのもとに戻るよう手配しなければならなかった。ナイアはついにウイルスが存在する製薬工場を突き止め、その情報を受け取ったイーサン・ハントはウイルスを破壊する準備をするために製薬工場へ向かう一方、ショーン・アンブローズはナイアが自分のもとに戻る本当の目的を発見していた。 、そして製薬工場でイーサン・ハントが降伏するのを待つために人々を組織しました。激しい戦いの最中、ナイアはイーサン・ハントの任務を遂行するために自分自身にウイルスを注射した。20時間以内に抗生物質をナイアの体内に注射することによってのみ、イーサン・ハントは再び不可能な任務に直面することになる。