ที่บูดาเปสต์ เจ้าหน้าที่เทรเวอร์ ฮานาเวย์ ถูกนักฆ่าสาว ซาบีน มอโรสังหารระหว่างปฏิบัติภารกิจสืบหาบุคคลลึกลับในชื่อ "โคบอลต์" ทำให้หัวหน้าทีมของฮานาเวย์ เจน คาร์เตอร์และเจ้าหน้าที่ภาคสนามคนใหม่ เบนจี้ ดันน์ ต้องพาตัวอีธาน ฮันต์และแหล่งข่าวออกมาจากคุกในมอสโก ฮันต์ได้รับภารกิจให้เข้าไปค้นหาเอกสารลับที่อยู่ในพระราชวังเครมลิน ซึ่งจะบ่งชี้ได้ว่าใครคือโคบอลต์ แต่ในระหว่างที่ปฏิบัติภารกิจอยู่นั้น กลับมีคนส่งสัญญาณเตือนพวกทหารรัสเซีย ต่อมาพระราชวังเครมลินก็ถูกระเบิด แม้ว่าคาร์เตอร์และดันน์จะหนีไปได้ แต่ฮันต์ซึ่งบาดเจ็บก็ถูกจับกุมและตกเป็นผู้ต้องหาในการก่อเหตุนี้ ฮันต์หลบหนีออกมาได้ หลังการพบปะกับท่านรัฐมนตรีและนักวิเคราะห์ของ IMF วิลเลียม แบรนต์ ทั้งสามก็ถูกลอบโจมตีโดยเจ้าหน้าที่รัสเซีย ท่านรัฐมนตรีถูกสังหาร ส่วนฮันต์และแบรนต์ต้องหนีไปรวมกับคาร์เตอร์และดันน์ ในขณะที่รัสเซียประกาศว่านี่เป็นการประกาศสงครามอย่างไม่เป็นทางการจากสหรัฐฯ ประธานาธิบดีสหรัฐฯ ก็สั่งเริ่ม "ปฏิบัติการไร้เงา" แสดงความไม่รับผิดชอบและรับรู้ถึงการมีอยู่ของหน่วย IMF ที่ถูกหมายหัวว่าเป็นผู้ก่อเหตุ ฮันต์และเพื่อนร่วมทีมเริ่มสืบ พบว่าโคบอลต์คือ เคิร์ท เฮนดริกส์ ผู้เชี่ยวชาญด้านอาวุธนิวเคลียร์ และเป็นผู้อยู่หลังเหตุระเบิดที่เครมลินเพื่อกลบเกลื่อนร่องรอยที่เขาเข้าไปขโมยอุปกรณ์ควบคุมอาวุธนิวเคลียร์ของรัสเซีย อย่างไรก็ตาม เฮนดริกส์ต้องการรหัสปล่อยอาวุธซึ่งตอนนี้อยู่ที่มอโร ทีมของฮันต์สืบหาจนพบว่าการแลกเปลี่ยนจะเกิดขึ้นที่เบิร์จคาลิฟา อาคารที่สูงที่สุดในโลกในดูไบ คาร์เตอร์แยกไปต่อรองกับวิสตรอม ส่วนฮันต์และแบรนต์ไปพบมอโรเพื่อขอรหัส แต่มอโรรู้ตัวก่อนว่าแบรนต์คือสายลับ จึงเกิดการต่อสู้กัน ฮันต์ไล่ตามวิสตรอมซึ่งต่อมาเขาพบว่าเป็นเฮนดริกส์ปลอมตัวมา ส่วนคาร์เตอร์สู้กับมอโรจนมอโรร่วงลงจากอาคาร หลังภารกิจล้มเหลว ฮันต์ตั้งข้อสังเกตว่าแบรนต์อาจมีลับลมคมในกับคนในทีม แบรนต์จึงยอมเล่าว่าเดิมตนเคยเป็นเจ้าหน้าที่ภาคสนาม ทำหน้าที่ปกป้องฮันต์และจูเลีย ภรรยาของฮันต์ แต่ล้มเหลว จูเลียถูกฆ่าโดยกลุ่มนักซ่าชาวเซอร์เบีย ส่วนฮันต์ที่ออกตามล่ากลุ่มนักฆ่าดังกล่าวก็ถูกจับกุม บอกแดน แหล่งข่าวที่ฮันต์พาออกมาด้วยให้ข้อมูลว่าเฮนดริกส์อาจจะอยู่ที่มุมไบ เพื่อทำการซื้อขายดาวเทียมทางการทหารที่ไม่ใช้แล้วสมัยโซเวียตจากนักธุรกิจชาวอินเดีย บริจ นาธ คาร์เตอร์ลวงนาธเพื่อขอรหัสสั่งการดาวเทียม ส่วนแบรนต์และดันน์ไปที่เซิร์ฟเวอร์เพื่อหาทางหยุดไม่ให้ดาวเทียมทำงาน แต่เฮนดริกส์รู้ทันจึงทำลายเซิร์ฟเวอร์ก่อน ฮันต์ไล่ตามเฮนดริกส์ที่หนีไปพร้อมอุปกรณ์สั่งปล่อยอาวุธ ในขณะที่ทุกคนทำทุกวิถีทางเพื่อกู้เซิร์ฟเวอร์กลับมา ฮันต์และเฮนดริกส์ก็สู้กันจนเฮนดริกส์ตัดสินใจกระโดดลงจากอาคารเพื่อป้องกันไม่ให้ฮันต์ตามไป ส่วนแบรนต์และวิสตรอมก็สู้กันจนกระทั่งดันน์ตามมาสมทบและฆ่าวิสตรอม พร้อมทั้งกู้เซิร์ฟเวอร์คืนได้สำเร็จ ทำให้ฮันต์สั่งปิดระบบอาวุธได้ทันเวลาพอดี ครู่ต่อมาเจ้าหน้าที่รัสเซียนำโดยซิโดรอฟซึ่งติดตามไล่ล่าฮันต์มาโดยตลอดก็พบว่าฮันต์เป็นผู้บริสุทธิ์ หลายสัปดาห์ต่อมาที่ซีแอตเทิล ฮันต์แนะนำทีมของตนให้รู้จักกับลูเทอร์ สติกเกลล์ และแจ้งภารกิจใหม่ ดันน์และคาร์เตอร์รับภารกิจ ส่วนแบรนต์ปฏิเสธเนื่องจากยังมีอดีตที่ไม่ดีเกี่ยวกับงานภาคสนามอยู่ ฮันต์เปิดเผยว่าการที่จูเลียตายเป็นเพียงแค่การแสดง เพื่อให้เขาเข้าใกล้บอกแดน เมื่อแบรนต์ได้รับฟังจึงยอมรับภารกิจ หลังทุกคนแยกย้าย ฮันต์ก็เห็นจูเลียอยู่ห่างออกไปไม่ไกล ทั้งคู่ยิ้มให้กัน ก่อนที่ฮันต์จะปลีกตัวเพื่อไปทำภารกิจใหม่