Abertura: O Sequestro de Julia
O filme já começa em clima de tensão máxima. Ethan Hunt (Tom Cruise) está amarrado a uma cadeira, visivelmente abalado, enquanto o implacável traficante de armas Owen Davian (Philip Seymour Hoffman) o ameaça. Julia (Michelle Monaghan), a noiva de Ethan, também está presa. Davian pressiona Ethan para revelar onde está a Pata de Coelho — um misterioso artefato biológico de valor inestimável — e dá um ultimato, colocando a vida de Julia em risco. A cena corta no momento de maior suspense, criando um flashforward que só será explicado no clímax do filme.
O Novo Começo de Ethan
Voltamos no tempo. Ethan está aposentado da vida de campo e agora trabalha treinando novos agentes da IMF. Ele tenta levar uma vida normal ao lado de Julia, que não sabe da verdadeira profissão dele. Durante uma festa de noivado, Ethan recebe uma ligação de John Musgrave (Billy Crudup), seu contato na IMF, pedindo ajuda em uma missão urgente: resgatar a agente Lindsey Farris (Keri Russell), uma de suas melhores alunas, que foi capturada por Davian em Berlim.
O Resgate de Lindsey
Ethan relutantemente aceita a missão e reúne sua nova equipe: Luther Stickell (Ving Rhames), Declan Gormley (Jonathan Rhys Meyers) e Zhen Lei (Maggie Q). Eles invadem um prédio fortemente protegido em Berlim, enfrentando guardas armados e sistemas de segurança sofisticados. Consegue-se resgatar Lindsey, mas ela carrega no cérebro um implante explosivo instalado por Davian. Ethan tenta usar um desfibrilador improvisado para neutralizar o dispositivo, mas falha. A bomba explode dentro da cabeça dela, matando-a diante de todos.
Essa perda brutal deixa Ethan devastado e com sede de justiça contra Davian.
A Caçada a Owen Davian
Com informações obtidas na missão, a IMF rastreia Davian até Roma, onde ele participaria de uma negociação. O plano é sequestrá-lo antes que consiga vender a Pata de Coelho. A equipe organiza uma operação ousada, incluindo a famosa técnica da máscara facial. Ethan se disfarça de Davian e invade a cerimônia do Vaticano, enganando os seguranças.
A missão é um sucesso: Davian é capturado e levado sob custódia. Durante o interrogatório no avião, Ethan o pressiona, mas Davian mantém a calma. Em um momento de tensão, ele jura vingança: diz que vai encontrar Julia e fazê-la sofrer antes de matar Ethan. A ameaça deixa todos tensos.
A Emboscada na Ponte
No caminho para entregar Davian às autoridades, o comboio é emboscado em uma ponte nos Estados Unidos. A cena é uma das mais intensas da franquia: drones armados atacam, helicópteros disparam mísseis e agentes inimigos invadem. Davian é libertado em meio ao caos, enquanto Ethan e sua equipe mal conseguem escapar vivos.
A perda do prisioneiro coloca Ethan em conflito com a IMF, que começa a desconfiar de sua conduta.
O Sequestro de Julia
Pouco depois, Ethan descobre que Davian cumpriu sua promessa: Julia é sequestrada. Desesperado, ele busca informações sobre o paradeiro do vilão e descobre que a chave está na misteriosa Pata de Coelho, que Davian planeja vender em Xangai.
A Missão em Xangai
Ethan e sua equipe seguem para Xangai em uma missão arriscada. Usando técnicas de infiltração de alto risco, Ethan escala arranha-céus e realiza um salto espetacular com cordas para invadir um prédio altamente protegido. Ele consegue roubar a Pata de Coelho, mas é capturado logo em seguida por homens de Davian.
É então que a cena inicial do filme se conecta: Ethan está amarrado, Julia sequestrada, e Davian exige a entrega da Pata de Coelho.
O Implante Letal e a Corrida Contra o Tempo
Davian insere em Ethan o mesmo tipo de bomba que matou Lindsey, programada para explodir em seu cérebro. Ele então foge levando Julia. Ethan consegue escapar e, com ajuda remota de Benji Dunn (Simon Pegg, em sua primeira aparição na franquia), rastreia o local onde Julia está.
Em uma sequência eletrizante, Ethan enfrenta Davian em um confronto final nas ruas estreitas de Xangai. Depois de uma luta brutal, Ethan consegue matar Davian, mas o tempo contra a bomba cerebral continua correndo.
O Desfecho: A Verdade Revelada
Ethan encontra Julia, mas ela não entende nada da situação. Sem alternativa, ele confessa que é um agente secreto. Julia, mesmo assustada, ajuda Ethan a sobreviver: seguindo suas instruções, ela mesma aplica o desfibrilador improvisado nele para desativar o implante. Em seguida, é ela quem dispara contra inimigos para salvar Ethan.
No fim, Julia prova ser uma aliada corajosa. A bomba é desativada a tempo, Davian é derrotado e a Pata de Coelho permanece um mistério, nunca revelando exatamente o que é.
Epílogo
De volta aos Estados Unidos, Ethan finalmente pode relaxar ao lado de Julia, que agora conhece toda a verdade sobre sua vida dupla. Eles se casam em paz, enquanto Luther e a equipe celebram discretamente a vitória.
O filme encerra mostrando que, apesar de todas as perdas e traições, Ethan continua sendo o agente incansável disposto a arriscar tudo para proteger quem ama.