L'agent secret Ethan Hunt, du MIF, recrute deux assistants, Luther Strickell et Billy Baird, ainsi qu'une cambrioleuse de charme, Nyah Hall, en vue d'une mission de la plus haute importance. Ayant intégré la belle dans son équipe - et accessoirement dans son lit -, il se lance à la poursuite de Sean Ambrose, un ex-membre du MIF, qui s'est emparé d'un terrible virus de synthèse, la Chimera, ainsi que de son antidote. Nyah, ancienne petite amie du criminel, est chargée de renouer avec lui pour connaître ses intentions, localiser les souches du virus et informer Ethan. Perspicace et soupçonneux, Ambrose ne tarde pas à percer ses desseins à jour.