スパイを引退したイーサン・ハント（トム・クルーズ）は、婚約者のジュリア（ミシェル・モナハン）と幸せな日々を過ごしていた。新人スパイの教育に当っていたイーサンだが、教え子リンジーが誘拐されたことを知らされ、その救出作戦に参加する。しかし救出に成功したと思ったのも束の間、リンジーは頭に仕掛けられた爆弾で死んでしまった。その後、一連の事件の裏に闇商人デイヴィアン（フィリップ・シーモア・ホフマン）がいることを知ったイーサンのチームは、デイヴィアンを捕獲すべく、バチカンへと向かった。見事デイヴィアンを捕らえたイーサンたちだったが、帰国後、襲撃を受ける。リンジーが遺したマイクロドットには、上官のブラッセルが、デイヴィアンと通じているという秘密が語られていた。奇襲を受けたイーサンたちは、結局デイヴィアンを奪われてしまう。イーサンに恨みを抱くデイヴィアンは、ジュリアを誘拐し、機密物質「ラビットフット」を48時間以内に探し出さないとジュリアを殺すと脅迫してきた。ブラッセルの裏切りに気づいた上司マスグレイブの機転により、イーサンは上海に向かった。そこにはチームの面々も揃っていた。「ラビットフット」があるという高層ビルに潜入し、盗み出すことに成功するイーサン。それをデイヴィアンの元に持っていくが、頭に爆弾を埋め込まれた挙句、目の前でジュリアを殺されてしまう。絶望するイーサン。しかし何故かそこにマスグレイブが現れ、実は殺されたジュリアが偽者だったことを明かす。デイヴィアンと結託していたのはマスグレイブだったのだ。イーサンはマスグレイブを出し抜き、本物のジュリアが囚われている場所へと向かった。そこでイーサンはデイヴィアンを倒し、頭の爆弾を破壊することにも成功する。追ってきたマスグレイブを撃ち殺したのはジュリアだった。イーサンは新しい仕事を丁重に断り、ジュリアとハネムーンに出かけるのだった。