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Dopo aver impedito a un aereo cargo militare A400 Airbus di trasportare del gas nervino venduto a dei terroristi a Minsk, in Bielorussia, l'agente della Forza Missioni Impossibili Ethan Hunt è deciso a dimostrare l'esistenza del Sindacato, un consorzio di agenti governativi disonesti di varie agenzie di intelligence di cui la CIA non crede l'esistenza. Mentre sta ascoltando un debriefing, Hunt viene gassato fino a perdere i sensi e catturato dal Sindacato in un negozio di dischi a Londra. A Washington D.C., il direttore della CIA Alan Hunley convince la commissione del Senato a sciogliere e assimilare l'IMF, attualmente senza un segretario responsabile, alla CIA a causa dei suoi metodi distruttivi e del suo coinvolgimento nell'attentato al Cremlino. Hunt sfugge a una camera di tortura guidata dall'ex agente del KGB diventato operativo del Sindacato, Janik "Bone Doctor" Vinter, con l'aiuto dell'agente dell'MI6 sconfessato e diventato operativo del Sindacato, Ilsa Faust. Senza il supporto dell'IMF, Hunt segue la sua unica pista: un uomo biondo con gli occhiali che Ilsa in seguito identificherà come l'ex agente dell'MI6 Solomon Lane.

Sei mesi dopo, Hunt è attualmente un fuggitivo che vive a Parigi e deve attirare un'unità della Divisione Attività Speciali della CIA in un rifugio di facciata all'Avana. All'Opera di Vienna, il Sindacato uccide il Cancelliere austriaco nonostante gli sforzi di Hunt e del suo ex-collega Benji Dunn per impedirlo. Faust lascia intendere a Hunt il piano di Lane prima di andarsene. Dunn viene a sapere che il Sindacato sta lavorando contro "il vecchio ordine mondiale" commettendo diversi atti terroristici, ma rimane con Hunt invece di fare rapporto alla CIA. Hunt e Dunn, incolpati della morte del Cancelliere, vengono inseguiti dalla Divisione Attività Speciali. L'ex agente del FMI diventato agente della CIA William Brandt contatta l'ex agente del FMI Luther Stickell per trovare Hunt prima che lo faccia la CIA.

Stickell rintraccia Hunt, Dunn e Faust a Casablanca, dove il trio irrompe e acquisisce un file segreto del Sindacato, che Faust dichiara essere un registro contenente i nomi di tutti gli agenti del Sindacato, da una centrale elettrica sicura. Dopo averlo acquisito, Faust fugge con i dati e si reca a Londra per utilizzarli e incontra il suo responsabile, il capo dell'MI6 Atlee, che li cancella discretamente con il suo cellulare.

Nel frattempo, Hunt scopre che i dati sono una scatola rossa virtuale criptata del governo britannico che richiede i dati biometrici del Primo Ministro per essere sbloccata. Raggiungono Londra per affrontare Faust, dove gli uomini di Lane rapiscono Dunn e usano Dunn e Faust per ricattare Hunt affinché decifri e consegni loro i dati. Nonostante le proteste di Brandt, Hunt accetta di farlo.

Come parte del piano di Hunt, Brandt rivela a Hunley la loro posizione. Hunley, Brandt e Atlee incontrano il Primo Ministro a Oxford in occasione di un evento di beneficenza, il quale conferma che il Sindacato era un progetto nero top secret proposto da Atlee per reclutare agenti sconfessati da altre agenzie di intelligence per svolgere missioni clandestine e fornire loro una nuova identità, che avrebbe reso il Primo Ministro giudice, giuria e boia; il Primo Ministro ha rifiutato in quanto troppo estremo. Atlee si rivela quindi Hunt con una maschera e mette al sicuro i dati biometrici del premier, permettendo a Stickell di decriptare il file. Quando arriva il vero Atlee, Hunt lo costringe ad ammettere di aver dato vita al Sindacato senza autorizzazione con Lane come leader, il quale ha fatto il furbo e ha dirottato il progetto per i suoi scopi, mettendo Atlee e l'MI6 contro il Sindacato. Da allora, Atlee nasconde la sua esistenza alle altre agenzie di intelligence.

Luther, che ha decriptato i file, scopre che non si tratta di un registro contenente i nomi degli agenti, ma di un file che contiene l'accesso a 2,4 miliardi di sterline in vari conti bancari, che Lane cerca disperatamente di ottenere per espandere e camuffare le operazioni del Sindacato da decenni. Rendendosi conto di ciò, Hunt distrugge i dati.

All'incontro con Lane fuori dalla Torre di Londra, dove trova Dunn con una bomba a orologeria legata al petto, Hunt dice a Lane di aver memorizzato i dati e si offre in cambio della sicurezza di Dunn. Dunn fugge dopo aver disinnescato la bomba, mentre Hunt e Faust vengono inseguiti dagli uomini di Lane attraverso il complesso della Torre di Londra. Faust uccide Vinter in un combattimento con un coltello, mentre Lane, che insegue Hunt, viene ingannato e costretto a entrare in una cella di vetro, viene gassato fino a perdere i sensi e preso in custodia. Avendo assistito in prima persona al successo di un'operazione dell'IMF, Hunley torna con Brandt alla commissione del Senato e copre Hunt e la sua squadra, convincendo la commissione a ripristinare l'IMF. Dopo la riunione, Brandt si congratula con Hunley, che ora è il nuovo Segretario dell'IMF.