一次灾难性事件毁灭了文明，数千年后，人类已经适应，并进化出了新的生存方式。如今，巨大的移动城市在地球上漫步，无情地吞噬着小牵引城镇。汤姆·纳茨沃西（罗伯特·席安饰），来自大牵引城市伦敦的低层，在遭遇了危险逃犯海特·肖（海拉·希尔莫饰）后，不得不开始为生存而奋战。两个截然相反，本不该相遇的人，却意外结盟，他们注定将改变未来。

超级病毒“金美拉”和抗生素在运送途中，被恐怖组织头目Sean Ambrose（ Dougray Scott 饰）盗走，Ethan Hunt（Tom Cruise 饰）率领他的IMF小组接受中情局的任务，找回病毒。 这次，Ethan Hunt找到了女飞贼Nyah Nordoff-Hall（Thandie Newton 饰）搭档，后者是Sean Ambrose的前女友。Ethan Hunt在获取Nyah信任的同时，二人也暗生情愫。 但是，为了完成任务，Ethan Hunt不得不安排Nyah回到Sean Ambrose身边卧底。 Nyah终于打探出病毒所在的药厂，接获情报的Ethan Hunt前往药厂准备销毁病毒；另一边，Sean Ambrose已经察觉出了Nyah回到自己身边的真正目的，组织人马在药厂等待Ethan Hunt自投罗网。 激烈的搏斗中，Nyah为了帮助Ethan Hunt完成任务，将病毒注入了自己体内，只有在20个小时之内将抗生素注入Nyah体内，才能挽救她的性命，Ethan Hunt又将面临不可能的任务。