L'agente Ethan Hunt (Tom Cruise), al servizio di una speciale sezione segreta della CIA, dopo l'attentato che ha distrutto il Cremlino, vuole a tutti i costi dimostrare l'innocenza del suo operato e mettersi sulle tracce dei responsabili dell'esplosione, il gangster russo Cobalto e la maliarda senza scrupoli Sabine Moreau (Léa Seydoux). Il suo team - che conta sempre sull'ottimo supporto del tecnico di laboratorio Benji (Simon Pegg) e a cui si sono aggiunti anche una giovane spia in erba (Paula Patton), decisa a imparare i trucchi del mestiere, e Brandt (Jeremy Renner), agente alle prime armi - dovrà però operare senza copertura dell'agenzia, seguendo la prassi del cosiddetto Protocollo Fantasma e rischiando l'accusa di terrorismo qualora qualcosa non andasse per il verso giusto.