1944年，二战如火如荼，战争局势波谲云诡。纳粹德国四面出击，但在盟军的合力反击下，德军攻势已成强弩之末。此时此刻，德军一部分高级军官意识到战争的天平已经倾斜，希特勒（David Bamber 饰）的战争策略将引领德国走向灭亡。越来越多的军官相信，只有除掉希特勒及其支持者，发动政变夺取政权，并通过和谈与盟军达成协议，才能最终拯救德国。
在这样的思想影响下，一个名为“瓦尔基里”的计划应运而生。在整个计划中，陆军上校克劳斯•冯•施陶芬贝格（Tom Cruise 汤姆•克鲁斯 饰）扮演着重要的角色。出身贵族的施陶芬贝格一度倾心希特勒及其纳粹纲领，他于1943年率装甲师驰骋北非突尼斯战场，并在此失去右手臂、左手两个手指以及右眼。战争的残酷令他的思想发生巨大转变，回到德国后他作别妻儿，与刺杀组织高层军官共同开始策划谋杀最高元首希特勒的危险任务……

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……

作为海军顶尖飞行员服役30多年后，代号为“独行侠”的皮特·米歇尔（汤姆·克鲁斯 饰）决定打破体制的限制成为一名试飞员，接受更大的挑战。当他接到命令，为一项高难度特殊任务训练一群“高空利剑”项目的毕业生时，他遇到了已故的好友兼雷达截获官，代号“笨鹅”的尼克·布拉德肖中尉之子布莱德利·布拉德肖中尉（代号：公鸡）。
面对不确定的未来和难以释怀的心魔，独行侠必须战胜内心深处的恐惧。因此，他参与了一项需要巨大牺牲才能完成的任务。