Un nouveau tour du Monde pour l'agent Hunt. Sa mission, si toutefois il l'accepte, le mènera à Dubaï lors d'une ascension du Burj Khalifa et à Mumbaï.
Un nouveau complot, une multitude de méchants et intermédiaires, de spectaculaires scènes d'action (la course poursuite pendant une tempête de sable), un masque ; pas de doute l'agent Hunt n'a toujours pas pris sa retraite.
L'histoire est toujours autant riche, développée et intéressante. Du grand spectacle !
Lors d'une mission à Budapest, l'agent Hanaway de l'unité IMF (Impossible Missions Force) est tué par la tueuse à gages Sabine Moreau, qui récupère les codes de lancement d'une ogive nucléaire. L'unité doit donc récupérer l'agent Ethan Hunt, alors en détention dans une prison de Moscou pour une raison inconnue. L'évasion est un succès, malgré la décision de Hunt de faire évader l'un des détenus, Bogdan, qui détient de précieuses informations. À peine libéré, Hunt se voit chargé d'une mission : infiltrer avec les agents Benjamin Dunn et Jane Carter au plus vite les archives du Kremlin pour récupérer le dossier de Cobalt, le terroriste qui a engagé Moreau.
L'infiltration est un succès mais le dossier de Cobalt a disparu. Au même moment, Hunt croise un homme qui sort du bâtiment avec une valise et qui pirate la fréquence radio des agents IMF avant de déclencher une bombe qui détruit la partie nord du Kremlin. Ayant été assommé par l'explosion, Ethan Hunt se réveille dans un hôpital de Moscou, enchaîné à son lit : il s'en sort avec des blessures légères mais il est démasqué et accusé par Sidorov, un agent russe, d'avoir commandité l'attentat. Hunt parvient à s'évader et tente de quitter le pays, mais c'est le ministre Theodore Brassel, alors en visite amicale en Russie, qui le retrouve et qui lui explique la situation : parce que des agents américains sont accusés d'avoir fait exploser le Kremlin, le président des États-Unis a déclenché le « Protocole Fantôme ». Ainsi, toute l'agence IMF est officiellement désavouée et démantelée : Hunt doit arrêter Cobalt comme prévu mais à présent sans plus pouvoir bénéficier du soutien ni des moyens du gouvernement américain. La voiture du ministre est soudainement attaquée par des tireurs embusqués et celui-ci est abattu, la voiture tombant dans le fleuve qu'elle longeait. Hunt parvient malgré tout à survivre à l'accident et à échapper aux policiers avec William Brandt, l'analyste qui a identifié l'homme du Kremlin comme étant Kurt Hendricks, un scientifique suédois qui envisage de déclencher une guerre nucléaire totale. Désormais isolés et recherchés, Hunt, Dunn, Carter et Brandt sont chargés d'arrêter Hendricks, alias Cobalt.
Les quatre agents partent pour le Burj Khalifa de Dubaï, où le marchandage des codes entre Moreau et Wiström (homme de main de Hendricks) doit avoir lieu. Pour préparer leur opération, Dunn organise l'échange des numéros des chambres pendant que Hunt se voit contraint d'escalader les façades extérieures de l'hôtel pour pouvoir pirater les serveurs informatiques de l'hôtel dont la protection est de niveau militaire. Le plan consiste à donner de faux codes à Hendricks mais quand Wiström apparaît avec un cryptologue polonais qui connait les codes de lancement, Hunt choisit de prendre le risque de donner les véritables codes. Les négociations ont lieu dans les deux chambres et tout se passe bien jusqu'à ce que Moreau repère Brandt et tente de le tuer. Pendant ce temps, Wiström, qui a obtenu les codes, abat le cryptologue avant de fuir. Hunt le poursuit, malgré la tempête de sable qui s'est levée et Sidorov à ses trousses. Wiström, en réalité Hendricks masqué, parvient à fuir avec les codes, et Moreau est tuée par Carter autant pour se défendre que pour venger la mort de Hanaway, son amant. L'opération est donc un échec.
La présence de Sidorov fait peser des soupçons sur l'agent Brandt, qui a montré des aptitudes à être agent de terrain, mais celui-ci ne veut pas s'expliquer devant Ethan Hunt, qui part retrouver un marchand d'armes clandestin grâce à Bogdan. Pendant ce temps, Brandt explique à Dunn et Carter comment il est passé d'agent de terrain à analyste : il devait surveiller et protéger un couple en Croatie, mais alors qu'il a choisi de surveiller le mari, la femme a été enlevée et tuée. Le veuf a alors tué six terroristes serbes soupçonnés du meurtre avant d'être arrêté. Cet homme était en fait Ethan Hunt, qui avait épousé Julia. Désavoué, Hunt a fini dans une prison russe après avoir tué les assassins de sa femme.
Ethan Hunt obtient les informations qu'il cherchait : la localisation du satellite qui servira à programmer le lancement d'un missile balistique porteur de l'ogive nucléaire. Il s'agit d'un ancien satellite militaire soviétique, utilisé par une chaîne de télévision indienne, appartenant à Brij Nath, magnat des médias et playboy indien. Les agents de l'IMF partent donc pour Bombay où ils vont tenter de pirater les serveurs informatiques de Nath. Carter est chargé de le séduire puis de lui prendre les codes, pendant que Brandt accède aux serveurs. Mais ils arrivent trop tard : quand ils ont le code, Hendricks pirate le réseau de Nath et déclenche le tir du missile vers San Francisco. Alors que le missile suit sa trajectoire à grande vitesse vers sa cible, Hunt poursuit Hendricks à travers la ville pour annuler l'explosion de l'ogive nucléaire. Les agents parviennent in extremis à annuler l'explosion, et l'ogive neutralisée tombe dans la baie de San Francisco, où elle sera récupérée par Luther Stickell. Sidorov arrive pour capturer Hunt et découvre la vérité (c'était Hunt qui l'avait prévenu de sa présence à Dubai), et accepte d'aider les agents.
À Seattle, les agents reçoivent de Hunt leurs nouvelles missions, mais Brandt refuse, se sentant responsable de la mort de Julia. Hunt lui révèle alors la vérité, que seuls lui et le ministre Brassel connaissaient : Julia n'est pas morte, et cette opération était un coup monté pour assurer la protection de Julia et obtenir des informations sur Cobalt. Brandt, touché de voir la confiance que lui accorde Hunt, accepte la nouvelle mission.