IMF on ennenkin joutunut hiillostuksen kohteeksi, mutta nyt sitä uhkaa lakkauttaminen. Samaan aikaan maailmaa uhkaa Syndikaatti, huippukoulutettu ryhmä entisiä agentteja, jotka ovat hylänneet kotimaansa ja ajavat omia etujaan. Syndikaatin on pitkään huhuttu olevan vain vakoojien keskuudessa liikkuva myytti eikä CIA usko koko ryhmän olemassaoloon. Ethan Hunt on kuitenkin saanut juuri kokea karvaasti, että järjestö on paitsi voimissaan, myös vääjäämättä tikittävä aikapommi. Ja vaikka oman agenttiryhmän kohtalo on vaakalaudalla, Ethan ei voi kääntää selkäänsä, kun pelissä ovat korkeimmat mahdolliset panokset. Perivihollisensa kohdatessaan Huntin on otettava käyttöön kaikki ne avut, jotka ovat tehneet hänestä huippuagentin, hän äärirajoilla nujertaakseen suurimman uhan, jonka hän on urallaan toistaiseksi kohdannut. Mutta ennen kaikkea hän yrittää täyttää tehtävistä tärkeimmän: pysyä uskollisena ystävilleen ja uskoa siihen, että älyn avulla mahdottomasta voi tulla mahdollista.
On vuosi 1963. Salainen rikollisjärjestö uhkaa maailmaa ydintuholla. CIA:n huippuagentiksi ammattivarkaan uralta kiristetty Napoleon Solo lähetetään Itä-Berliiniin. Solo ja KGB:n agentti Ilya Kuryakin joutuvat vastahakoisesti yhdistämään voimansa nuoren itäsaksalaisen Gaby Tellerin kanssa. Gabyn isä on natsien hyväksikäyttämä ydinfyysikko, joka on kidnapattu salaisen, suursodan raunioilta nousevan natsimielisen organisaation toimesta.
Vuosi 1942, Pohjois-Afrikka. Tiedustelu-upseeri Max Vatan on lähetetty Ranskan Marokkoon suorittamaan vaarallista tehtävää. Saapuessaan Casablancaan Max saa kulissipuolisokseen hänelle entuudestaan tuntemattoman, hurmaavan ranskalaisen vastarintataistelijan, Marianne Beauséjourin. Heidän tehtävänään on esittää ranskalaista pariskuntaa ja salamurhata Saksan suurlähettiläs. Maxin ja Mariannen kulissiliitto kantautuu tehtävän läpi, muuttuen oikeaksi liitoksi parin päästessä Lontooseen. Sota ei kuitenkaan ole ohi, ja vaikka Max ja Marianne pääsevät pois vihollisten luota, ei sodan armottomuus kuitenkaan jätä heitä rauhaan. Maxin saadessa V-osastolta vaikean tehtävän, alkaa pariskunnan liitto rakoilla. Kysymys kuuluu: voiko koulutettuun valehtelijaan luottaa edes silloin, kun on naimisissa tämän kanssa?