资深特工伊森·亨特也有百密一疏时刻，他在接收最新任务时遭到神秘组织“辛迪加”的暗算落入对方手中。辛迪加是一支由全球各地前特工组成的秘密组织，此前一直被CIA视为空穴来风。在对方成员伊尔莎·福斯特的帮助下，伊森逃出生天，并及时向威廉·布莱德汇报了辛迪加确切存在的消息。然而此时布莱德的日子并不好过，他负责的IMF机构因俄罗斯核弹头等事件遭到CIA指控并责令解散。在得知该组织密谋刺杀奥地利总统时，伊森联系上了老搭档班吉·邓恩展开行动，并于谜样女郎伊莎再度相会。接下来的一连串事件中，辛迪加的真面目逐渐揭开，而他们也终于显露出真实的目的……

月球最高监狱，穷凶极恶的伯格罗多星人鲍里斯（杰梅奈·克莱门特 Jemaine Clement 饰）越狱逃亡。他在1969年犯下邪恶罪行，最终被年轻的K（乔什·布洛林 Josh Brolin 饰） 砍掉一只手臂，送入监狱。此次他逃脱的目的，就是穿越时空杀死K。与此同时，J （威尔·史密斯 Will Smith 饰）和K（汤米·李·琼斯 Tommy Lee Jones 饰）一如既往处理各种外星人引起的混乱，因对鲍里斯的案件三缄其口，两个好搭档心生隔阂。
崭新的一天，J发现K消失不见，周围更几乎没人知道K这个人。此时的K已在40年前被鲍里斯杀死，他所建立的A网也不复存在。在这危急时刻，伯格罗多星人大举入侵地球。为了保护家园，J必须穿越时空再次改变历史……

伊森·亨特（汤姆·克鲁斯饰）和队友们接到了追回三个大杀伤性核武器的任务。眼见任务马上就能完成，但为了挽救其中一位队友卢瑟（文·瑞姆斯饰）的生命，三个核武器被人趁机带走。中情局负责人斯隆女士（安吉拉·贝塞特饰）调来她手下的得意猛将沃克（亨利·卡维尔饰），让他盯着伊森·亨特完成追回核武器的任务。期间，女特工伊尔莎（丽贝卡·弗格森饰）突然出现，伊森·亨特发现，他要面对的并不只是恐怖分子，还有潜藏在政府部门的内鬼。