中情局向以吉姆为首的特工小组发来指令，一名特工人员已经叛国，将在布拉格的领事馆窃取中情局在东欧潜伏的特工名单，一旦落入坏人手中，后果将不堪设想。他们奉命获取该特工窃取情报的证据，并将其与买家逮捕。很快，在吉姆的策划下，一线主力伊森·亨特和其他几名成员全部到位，不过当计划进行到一半时，情况突然急转直下，包括吉姆在内的小组成员相继殒命，情报失踪，只有伊森一人生还。精神几乎崩溃的伊森与上司见面，却因幸免遇难和帐户上突然多出的12万美元被指认为叛徒，原来失窃的是假情报，行动的真正目的是为了查出内奸。突出重围的伊森决定查出叛徒，而此时，同样侥幸生还的吉姆的妻子克莱尔与伊森重逢。

一位医学博士研制出一种威力巨大的新型病毒“金美拉”，为保证运送安全请求中情局提供援助，不料被扮作伊森的前中情局特工肖恩谋害，并窃取了病毒资料。伊森受命找到肖恩并获取相关情报，而在这之前，伊森必须得到女神偷奈雅的帮助，因为奈雅是肖恩的前女友，是接近肖恩的唯一人选。在获取奈雅信任的同时，伊森和奈雅萌生爱意。在制造奈雅被捕的假情报后，肖恩如期将奈雅救出，接到自己住处，不过肖恩已经怀疑奈雅的到来另有图谋。伊森和奈雅终于在赛马场接头并获知了情报内容，而同时肖恩已经察觉奈雅不仅奉命卧底，还与伊森坠入爱河。怀恨在心的肖恩已经猜测出伊森将前去药厂销毁病毒，遂率人争夺，交战之中，奈雅为帮助伊森完成任务，将仅存的病毒注入自己体内，并要求伊森杀死自己，而伊森不忍下手，并承诺将会挽救奈雅。肖恩开始和制药厂老板交易病毒和解药，声称病毒将很快席卷世界，正在此时，伊森赶到，经过激烈搏斗，伊森终于夺回病毒和解药，结果了肖恩，并及时挽救了奈雅的生命。

伊森（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）曾是任职于特殊部门的秘密特工，自从一位名叫茱莉亚（米歇尔·莫娜汉 Michelle Monaghan 饰）的美丽女子出现在他的生命里后，伊森决定金盆洗手，卸甲归田。遗憾的是，好景不长，幸福的生活还没过多久，伊森便接到了徒弟林德赛（凯丽·拉塞尔 Keri Russell 饰）被死对头戴维恩（菲利普·塞默·霍夫曼 Philip Seymour Hoffman 饰）掳走的消息。戴维恩冷酷又凶残，林德赛落入他的手中可谓是凶多吉少。为了解救林德赛，伊森重操旧业，他组织了一支精干的特工小组，向着目标人物发起了进攻。让伊森没有想到的是，戴维恩的真正目标并不是林德赛，而是茱莉亚，当爱妻落入敌手之时，伊森会做出怎样的反击？

特工汉纳威执行任务时遇害，核机密文件被女杀手莫洛（蕾雅·赛杜 Léa Seydoux 饰）截获。为了找回文件，特工班吉（西蒙·佩吉 Simon Pegg 饰）和特工简（宝拉·巴顿 Paula Patton 饰）从俄罗斯监狱救出了伊桑·亨特（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）。他们接受的幽灵协议任务便是从克林姆林宫盗取核军事密码。然而，当他们接近目标时，却发现被恐怖分子亨德里克斯（迈克尔·恩奎斯特 Michael Nyqvist 饰）捷足先登，抢走了核军事密码。在爆炸中，亨特受困医院，遭俄特工的追捕，幸好他身手矫捷，才化险为夷。不过，亨特的上司也在混乱中丧生，只剩下其助手布兰德（杰瑞米·雷纳 Jeremy Renner 饰）与亨特死里逃生，加上班吉和简，逼上绝境的四人开始了最后一搏，从迪拜到印度，他们出生入死，与恐怖分子斗智斗勇……

资深特工伊森·亨特也有百密一疏时刻，他在接收最新任务时遭到神秘组织“辛迪加”的暗算落入对方手中。辛迪加是一支由全球各地前特工组成的秘密组织，此前一直被CIA视为空穴来风。在对方成员伊尔莎·福斯特的帮助下，伊森逃出生天，并及时向威廉·布莱德汇报了辛迪加确切存在的消息。然而此时布莱德的日子并不好过，他负责的IMF机构因俄罗斯核弹头等事件遭到CIA指控并责令解散。在得知该组织密谋刺杀奥地利总统时，伊森联系上了老搭档班吉·邓恩展开行动，并于谜样女郎伊莎再度相会。接下来的一连串事件中，辛迪加的真面目逐渐揭开，而他们也终于显露出真实的目的……

伊森·亨特和队友们接到了追回三个大杀伤性核武器的任务。眼见任务马上就能完成，但为了挽救其中一位队友卢瑟的生命，三个核武器被人趁机带走。中情局负责人斯隆女士调来她手下的得意猛将沃克，让他盯着伊森·亨特完成追回核武器的任务。期间，女特工伊尔莎突然出现，伊森·亨特发现，他要面对的并不只是恐怖分子，还有潜藏在政府部门的内鬼。

大洋深处，一艘俄罗斯潜水艇正在执行常规任务，但是突发意外导致潜艇爆炸，全体机组人员无一幸免。而这个谜一样的事故，还隐藏着一个足以颠覆世界的大秘密。此后不久，特工伊森·亨特接到任务，要去寻找两把造型独特的钥匙。钥匙组合在一起后能够控制不断进化并拥有独立思考能力的人工智能，从而可帮助政治家实现称霸世界的野心。不愿被政治家利用的伊森找到好搭档卢瑟·斯蒂克尔、班吉·邓恩和伊尔莎·浮士德，开始试图找到并摧毁钥匙，这也意味着他们将与全世界为敌。而在行动过程中，性感女贼格蕾丝无意卷入其中，使这场危险游戏变得愈加扑朔迷离…

《碟中谍》系列的第八部。