秘密特工伊森（汤姆•克鲁斯 饰）隐藏了真实身份，准备和女友安心生活。这时，他突然接到了上级的电话。超市接头时，同僚向他传达了新的任务命令。任务中，他和黑人老搭档以及两位女将林赛（凯丽·拉塞尔 饰）和珍（李美琪 饰）并肩作战，在攻入某大厦寻找一个名叫“兔子腿”的证物时，不幸中了埋伏，结果林赛当场阵亡。...因为被控失职，汤姆身心背负了巨大的痛苦，在跟上司闹翻之后，他执着地追查着这起事故的起因，却在死者遗留的秘密视频中发现了一个惊天大秘密。为了给死者报仇，让罪魁祸首伏法，汤姆踏上了去往上海寻找关键证据的凶险旅途，结果却落入了犯罪团伙首领欧文（菲利普·塞默·霍夫曼 饰）的圈套，甚至女友也成了人质…… 伊森能否完成这次高难的“不可能任务”呢？