2 года спустя, после того как ОМН захватил Соломона Лейна, остатки его ликвидированной террористической организации «Синдикат» переформирована в группу под названием «Апостолы». Остановившийся в Белфасте Итан Хант узнаёт детали последней операции «Апостолов». Они похитили с российского ядерного полигона на Колыме три плутониевых сферы для портативных бомб. Итан Хант направляется в Берлин, где «Апостолы» собираются продать плутоний террористу Джону Ларку. Хант встречается с Бенджи Данном и Лютером Стикелом. Операция идет не по плану, преступники скрываются вместе с плутонием. Ханту удается задержать физика-ядерщика, помогавшего собрать бомбы. Ему показывают поддельные новостные репортажи о катастрофических терактах, и он соглашается сотрудничать, раскрывая информацию о том, у кого находятся бомбы и взрыватели к ним.

Директор ЦРУ направляет своего агента Августа Уокера проконтролировать действия команды по перехвату плутония. Август и Итан летят в Париж на сделку Джона Ларка и «Апостолов», которая должна пройти при участии посредника — торговца оружием, известного, как «Белая вдова». Спрыгнув с парашютом из самолёта над Парижем, Итан и Август получают удар молнии. Итан приходит в себя и реанимирует Августа, подсоединив к его костюму свой кислородный шланг. Преследуя Белую вдову, Хант сталкивается с Ларком, но того убивает внезапно появившаяся агент Ми-6 Ильза Фауст. Итан Хант для продолжения действий вынужден выдать себя за Джона Ларка и встречается с Белой Вдовой, которая, как оказалось, является дочкой той самой "Макс" из первого фильма.

Наемники «Апостолов» начинают преследование Ларка-Ханта и Белой вдовы. В схватке часть преследователей уничтожена, Ханту с Белой вдовой удается скрыться, но Вдова не отдает плутоний, пока Ларк-Хант не докажет свою лояльность. Ларк-Хант должен освободить бывшего лидера Синдиката Соломона Лейна, задержанного в ходе событий предыдущего фильма. Лейна должен провезти по Парижу вооруженный конвой. Хант успешно проводит операцию по захвату Лейна и получает в качестве оплаты одну из плутониевых сфер. Однако затем он вынужден противостоять полиции и агентам MI-6 во главе с Ильзой, пытающимся отбить Лейна. После погони и перестрелки Лейн освобожден, а Белая вдова назначает местом сделки по обмену Лейна на плутоний Лондон.

В столице Великобритании ОМН встречает Алан Ханли с командой ЦРУ для поддержки операции. Алан, полагая, что перед ним Ларк, пытается остановить Итана. Хант, чтобы не раскрывать свою маскировку, вынужден обездвижить Ханли. Август и Итан объединяют усилия. Август Уолкер раскрывает свою личность — выясняется, что под его обличьем скрывался оставшийся в живых Джон Ларк, подручный Соломона Лейна. В Отряде ЦРУ, выясняется, что есть несколько агентов «Апостолов» и атакует ОМН. Ларк убивает Ханли в стычке ударом ножа. ОМН начинает преследование Августа и Соломона, но те скрываются из Лондона и перелетают в Кашмир. Однако Ларк требует прекратить преследование. В руках злодея находится бывшая жена Итана, Джулия. Итану Ханту и его напарникам необходимо остановить подрыв двух зарядов, которые находятся в руках Соломона и освободить своих близких. Соломон планирует взорвать их и загрязнить источники пресной воды для самого населенного района мира, на стыке Индии, Пакистана и Китая. В ходе напряженной погони Итан настигает Ларка, у которого находится детонатор, и в последний момент обезвреживает взрыватель.

В конце фильма Директор ЦРУ Эрика Слоун и Хант передают Соломона Лейна правосудию и Ми-6 через Белую вдову