IMF-agenten Ethan Hunt får til opgave at opspore den afhoppede agent Sean Ambrose, der har stjålet den meget farlige virus Chimera, som han har ondsindede planer med. Som medhjælper får Ethan den smukke mestertyv Nyah Hall, der tidligere var Seans kæreste. Ethan og Nyah forelsker sig hurtigt i hinanden, og missionen kompliceres yderligere, da Sean tager Nyah til fange. Ethan må prøve lægge sine følelser til side, mens han kæmper for at redde menneskeheden fra den farlige virus.