La nouvelle "mission impossible" de l'agent Ethan Hunt (Tom Cruise) va l'opposer à son ancien frère d'armes, Sean Ambrose (Dougray Scott), un homme qui a tout appris de lui avant de devenir son ennemi juré. Objet de leur combat : un virus génétiquement modifié, baptisé "Chimère", capable de décimer une ville entière en moins de 24 heures.