Após escaparem de um violento acidente de comboio, Ethan Hunt (Tom Cruise) e a sua equipa continuam a enfrentar o maior adversário de sempre: a Entidade, uma inteligência artificial implacável e manipuladora, capaz de alterar o mundo tal como o conhecemos.

Hunt e os seus companheiros da IMF, Luther (Ving Rhames), Benji (Simon Pegg) e Grace (Hayley Atwell), esta última, entretanto, convertida à causa, enfrentam um futuro incerto. Perseguidos pelos agentes Briggs e Degas e enfrentando Gabriel, precisam da ajuda da antiga oponente Paris, enquanto tentam recuperar a única arma capaz de destruir a Entidade. Uma arma que se encontra sob o gelo da calota polar, no fundo do Mar de Bering, entre os destroços de um submarino russo afundado, o Sevastopol.