résuméAprès avoir intercepté un gaz toxique vendu à un groupe terroriste, l'agent Ethan Hunt (Tom Cruise) pense pouvoir démontrer l'existence du Syndicat, un groupe criminel agissant à l'échelle internationale. Capturé dans une station londonienne de la Force Mission impossible (IMF) camouflée en magasin de disque, il s'enfuit d'une pièce où il s'apprête à être torturé par Janik Vinter (Jens Hultén), grâce à l'aide d'une agente désavouée du MI6, Ilsa Faust (Rebecca Ferguson). Entre-temps, le directeur de la CIA, Alan Hunley (Alec Baldwin), et l'agent William Brandt (Jeremy Renner) paraissent devant une commission du gouvernement américain. Hunley obtient que l'IMF soit démantelée et ses agents intégrés au sein de la CIA. Ethan Hunt refuse la décision et continue sa traque du Syndicat en cherchant activement un homme blond portant des lunettes, plus tard identifié comme Solomon Lane (Sean Harris).
Six mois plus tard, Hunt est toujours pourchassé par la CIA. Incapable de démanteler ou révéler l'existence du Syndicat, il amène son ancien collègue Benji Dunn (Simon Pegg) à participer à une mission au théâtre d'État de Vienne lors de la représentation de l'opéra Turandot où Hunt pense que Lane se trouvera pour surveiller l'assassinat du chancelier d'Autriche. Hunt empêche l'assassinat et sauve Ilsa Faust (l'un des assassins envoyés sur les lieux), mais le chancelier est tué dans l'explosion de son véhicule d'évacuation. Lors d'une course-poursuite, la femme s'enfuit tout en disant à Hunt qu'il sait comment la retrouver.
Un peu plus tard, Brandt demande l'aide de l'ex-agent Luther Stickell (Ving Rhames) pour retrouver Hunt et empêcher qu'il ne soit assassiné par la CIA. Hunt et Benji retrouvent Faust au Maroc, où ils s'introduisent dans un centre de données extrêmement sécurisé pour y dérober un fichier. Les hommes du Syndicat poursuivent les trois dans les rues de la ville et Ilsa Faust s'échappe encore une fois. Hunt, Benji, Brandt et Stickell font ensuite le point sur la situation, car ils ont découvert que le fichier est une « boîte rouge », c'est-à-dire qu'il ne peut être lu que par le Premier ministre du Royaume-Uni.
Faust retourne à Londres où elle tente de remettre le fichier à son supérieur, Attlee (Simon McBurney), qui lui ordonne de retourner terminer sa mission, c'est-à-dire d'exposer tous les membres du Syndicat. Elle retrouve Lane et lui remet une clef USB, qui a été vidée de son contenu à son insu par Attlee. Plus tard, Hunt rencontre Faust dans une gare bondée et les deux en viennent à comprendre qu'Attlee ment. Des agents du Syndicat enlèvent Benji et leur chef Lane ordonne à Hunt de lui amener une copie du fichier déchiffré sinon Benji mourra. Les trois ex-agents de l'IMF discutent vivement d'une solution.
Brandt révèle à Hunley que Hunt est à Londres et lui demande de le rejoindre. Pendant un encas caritatif, le Premier ministre britannique reçoit le message de se rendre de toute urgence auprès d'Attlee. Dans la pièce où se trouvent Brandt, Hunley et Attlee, il reçoit un sérum de vérité, puis révèle la mise en place d'un groupe d'agents soumis à sa seule autorité, projet clandestin exécuté avec l'accord d'Attlee. Cependant le Premier ministre a ordonné la fin du projet pour des raisons éthiques, informations que Hunley écoute avec étonnement. Hunt enlève alors le masque d'Attlee qu'il porte. Quand le vrai Attlee entre dans la pièce, il reçoit également une dose de sérum de vérité, puis révèle qu'il a caché l'existence du Syndicat quand Lane a décidé de poursuivre seul.
De son côté, Stickell découvre que le fichier comprend une liste de comptes numérotés qui donne accès à des milliards de dollars. Hunt en prend connaissance puis détruit la clé USB qui contient les données. Il retrouve Faust, armée, et Benji, bardé d'une ceinture explosive, assis à un café surveillé par les hommes de Lane. Hunt révèle qu'il a détruit la clé USB, mais qu'il a mémorisé les coordonnées de tous les comptes. Il met Lane au défi de le tuer après lui avoir fait un virement de 50 millions de dollars. Lane libère Benji en échange de la liste complète. Ethan et Faust sont ensuite pris en chasse par les hommes de Lane dans les rues de Londres. Faust tue Vinter, alors que Hunt piège Lane dans une cellule à l'épreuve des balles, où il est endormi par un gaz.
Plus tard, Hunley et Brandt retournent devant la commission, où Hunley explique qu'officiellement, le démantèlement de l'IMF a été une opération visant à exposer le Syndicat à l'intérieur du gouvernement américain. L'IMF peut donc reprendre ses activités habituelles