电影根据虹影《上海之死》及横光利一《上海》改编。

1941 年。著名演员于堇返回孤岛时期的上海，表面上是为了出演她的旧爱执导的话剧《礼拜六小说》。但是她真正的目的是什么？是为了救出她的前夫？为了给盟军搜集情报？为了给养父工作？还是为了和自己的爱人一起逃离战争？她真正的使命是什么？随着她着手执行任务，敌我越来越难以分辨，一个女人的命运被时代紧紧牵引，她又如何做出改变世界格局的选择？戏里戏外，谁能幸免？

1949年，新中国建立之初。江山初定，百废待兴，和平的表象下没有硝烟的战争早已拉开序幕。败逃台湾的国民党接连向大陆派出特工，伺机破坏。为了应对接二连三的破坏活动，中共成立情报部门701局与敌方展开连番较量。同年10月初，701局控制的侦听局莫名消失，为了查清消失电台的下落，701局负责人老鬼（王学兵 饰）授命代号二〇〇的张学宁（周迅 饰）去上海寻找耳力超群的钢琴调音师罗三耳。结果阴差阳错，学宁找到了罗德小徒弟——耳力同样超群的盲人调音师阿兵（梁朝伟 饰）。阿兵不负众望，不仅通过层层严苛的考试，还在工作中一鸣惊人。在残酷的谍报战争中，阿兵和学宁之间某种情愫也暗暗滋生……

数月前军情六处一块记载了潜伏于全世界恐怖组织内部所有特工名单信息的硬盘丢失，而追索硬盘的行动也以失败告终。在此之后，行动主要负责人M（朱迪·丹奇 Judi Dench 饰）被高层解雇，而军情六处也遭到惨烈的袭击，伤亡惨重。为了查到幕后真凶，M召来佯死的传奇特工詹姆士·邦德（丹尼尔·克雷格 Daniel Craig 饰）。经过一轮严苛的特训和测试，邦德重新服役。在伊芙（娜奥米·哈里斯 Naomie Harris 饰）和新搭档Q（本·卫肖 Ben Whishaw 饰）的协助下，邦德追寻着某前CIA特工的踪迹来到繁华大都会上海。
在这一过程中，特工的名单不断泄露，而邦德最新一次的生死冒险也拉开序幕……

特工汉纳威（乔什·哈洛威 Josh Holloway 饰）执行任务时遇害，核机密文件被女杀手莫伦（蕾雅·赛杜 Léa Seydoux 饰）截获。为了找回文件，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）。他们接受的幽灵协议任务便是从克林姆林宫盗取核军事密码。然而，当他们接近目标时，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，抢走了核军事密码。在爆炸中，亨特受困医院，遭俄特工的追捕，幸好他身手矫捷，才化险为夷。不过，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……

平凡无奇的美女汽车修理师茱恩·哈文斯（卡梅隆·迪亚茨 Cameron Diaz 饰）如何也想不到，她回家的路途竟会变得如此漫长而险象环生。最初，她一波三折登上了开往家乡波士顿的神秘航班，机上乘客寥寥，茱恩与在机场有过短暂接触并拥有迷人气质的陌生男子罗伊·米勒（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）相谈甚欢。看起来一段浪漫美好的旅途恋情即将展开，谁知短短几分钟过后，机舱便被恐怖肃杀的氛围所替代。除罗伊外，所有乘客和飞行员全部毙命。原来罗伊的正体是一名训练有素、身手不凡的特工，他持有一枚重要的电池，而这也成为一众叛徒特工不择手段急于得手的主要原因。
茱恩也许猜对了结局，却根本没有猜到过程。在接下来的日子里，她将和罗伊上天入地、周游世界，享受枪林弹雨、血雨腥风旅途中的浪漫与惊险……

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……

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。