2017年，母星遭到毁灭的外星流亡者入侵地球。人类虽然用核武器打败对手，但也付出失去家园的惨痛代价。在接下来将近半个世纪的时光中，人类移民泰坦星（土卫六），不过仍有极少部分人类留在故土，扫荡残存的外星掠夺者。杰克·哈珀（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）与维多利亚（安德丽亚·瑞斯波罗格 Andrea Riseborough 饰）即是留守者中的一员，他们的主要任务为保障遍布各地守护水萃取塔的无人机正常运行。看似永无止境的任务终于接近尾声，而就在此刻，不明飞行器坠落一处无人区。杰克在当地发现数名人类伤员，可是他们却遭到无人机的屠杀。危急时刻，杰克救下了一个名为茱莉亚（欧嘉·柯瑞兰寇 Olga Kurylenko 饰）的女子。
这一事件令杰克无意中知晓了掠夺者以及自身背后隐藏的秘密……

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……

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……

查理（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）父亲去世，留下了300万美元的遗产。然而令他意外的是，遗产全部给了一个他不认识的哥哥雷蒙（达斯汀·霍夫曼 Dustin Hoffman 饰）。雷蒙的名字查理从没听过，这个事件让他气愤不已。他决定前去寻找哥哥。谁知雷蒙的住处就在一个精神病院里，原来他自幼患有自闭症，母亲去世后就被送到精神病院治疗。查理心中有了算计，他把雷蒙带出精神病院，企图骗他出让遗产。
雷蒙的生活习惯奇异，活在自己的幻想世界里，有很多离奇古怪的行为。并且，查理在共处中发现了雷蒙惊人的记忆能力，他试着利用哥哥过目不忘的本领去赌场上试一下身手，赢得了一大笔奖金，使查理足以摆脱穷困生活。而令查理收获更大的是，他还获得了慢慢升温的亲情，这种手足情远远胜过了他原先图谋的300万的遗产。