蛰伏2年之后，多米尼克（范•迪塞尔 Vin Diesel饰）与布莱恩（保罗•沃克 Paul Walker 饰）再度联手把火车中的神秘豪车盗走，遭到了警察和黑帮分子的火线追杀。布莱恩和米亚（乔丹娜•布鲁斯特 Jordana Brewster 饰）到里约寻找援兵，并与多米会和。为了寻找多米等人的下落，FBI王牌探员卢克（“岩石”道恩•强森 Dwayne Johnson饰）挺身而出，组成精英部队，追查来到里约。他雇佣了丧夫的美丽女警艾莲娜（埃尔莎•帕塔奇 Elsa Pataky 饰），一同寻找多米。与此同时，里约的地头蛇也对这些不速之客开火。三股势力开始相互缠斗。
期间，因米亚怀孕，布莱恩决定陪她一起逃亡，所以多米只得依靠昔日老友探寻新车的秘密。在罗曼、韩等人的帮助下，多米终于找到了这辆车的秘密——芯片，并由此揭开了其中隐藏的一个不可告人的计划……

杰森·伯恩事件引起连锁反应，垫脚石（Treadstone）计划以及CIA用药物控制强化特工的行径通过报纸公之于众，令其幕后人物坐立不安。为了阻止满盘皆输的局面出现，CIA高层决定中止该计划，并将相关特工人员以及科学家从行动中抹杀。在此后的日子里，那些深藏在国家政治最底层、依靠蓝绿药丸执行各种绝密任务的特工相继殒命，而负责染脏双手的执行人——前美国空军上校艾瑞克·贝尔（爱德华·诺顿 饰），正慢慢将屠刀伸向隐藏在位于阿拉斯加崇山峻岭、暴雪深山中的特工艾伦·克劳斯（杰瑞米·雷纳 饰）。
突如其来的炮火袭击令艾伦意识到自己所处的危险境地，在之后的日子里，他不仅要在昔日同伴的追杀中求生，还必须设法找到那曾为他提供源源不断体能和智力的蓝绿药丸……