特工汉纳威（乔什·哈洛威 Josh Holloway 饰）执行任务时遇害，碟中谍核机密文件被女杀手莫伦（蕾雅·赛杜 Léa Seydoux 饰）截获。碟中谍为了找回文件，碟中谍最新泛目录程系统特工班吉（西蒙·佩吉 Simon Pegg 饰）和特工简（宝拉·巴顿 Paula Patton 饰）从俄罗斯监狱救出了伊桑·亨特（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）。碟中谍他们接受的碟中谍幽灵协议任务便是从克林姆林宫盗取核军事密码。然而，碟中谍当他们接近目标时，碟中谍却发现被恐怖分子亨德里克斯（迈克尔·恩奎斯特 Michael Nyqvist 饰）捷足先登，碟中谍抢走了核军事密码。碟中谍在爆炸中，碟中谍最新泛目录程系统亨特受困医院，碟中谍遭俄特工的碟中谍追捕，幸好他身手矫捷，碟中谍才化险为夷。碟中谍不过，碟中谍亨特的上司也在混乱中丧生，只剩下其助手布兰德（杰瑞米·雷纳 Jeremy Renner 饰）与亨特死里逃生，加上班吉和简，逼上绝境的四人开始了最后一搏，从迪拜到印度，他们出生入死，与恐怖分子斗智斗勇……