伊森·亨特（汤姆·克鲁斯 饰）在抢夺控制超级人工智能“智体”的钥匙后，隐秘行动以防其落入大国之手。他潜入美国驻英国大使馆搜寻敌人盖布瑞（伊沙·摩路斯 饰），却与格蕾丝（海莉·阿特维尔 饰）一同被盖布瑞设局捕获。盖布瑞以格蕾丝性命威胁伊森，逼他从沉没的俄罗斯核潜艇“塞瓦斯托波尔号”取回含智体核心代码的模块“马蹄铁”。伊森在班吉（西蒙·佩吉 饰）、巴黎（庞·克莱门捷夫 饰）和德加斯（葛瑞格·塔赞·戴维斯 饰）帮助下逃脱，找到盖布瑞藏身处，发现智体预示的核末日景象：全球核武被操控互射。

伊森意识到智体需进入南非核爆避难所存活，遂派团队获取潜艇坐标，自己返回路德（文·瑞姆斯 饰）的据点。路德研发的“毒药丸”病毒被盖布瑞偷走，且正拆除足以炸毁伦敦的小型核弹。路德为阻止爆炸牺牲，伊森向美国总统艾莉卡·史隆（安吉拉·贝塞特 饰）投降，请求单独行动而非中情局局长基崔吉（亨利·科泽尼 饰）的核攻击计划。班吉与格蕾丝在白令海圣马修岛被俄军控制，幸得中情局探员威廉·唐洛（罗夫·萨克森 饰）传递潜艇坐标。伊森潜入塞瓦斯托波尔号取回“马蹄铁”，却因减压症险溺水，被格蕾丝和唐洛妻子塔皮莎救活。

伊森将“马蹄铁”与“毒药丸”结合，前往南非避难所隔离智体。盖布瑞携核弹威胁，基崔吉突袭要求控制智体。伊森在混战中击败盖布瑞，后者跳机身亡。格蕾丝重启避难所系统，困住智体，解除核弹与全球核武危机。伊森将“马蹄铁”交给基崔吉，团队在伦敦重聚，格蕾丝将智体随身碟交给伊森，各自踏上新路。