In den USA soll ein neues, verschärftes Überwachungsgesetz vom Kongress beschlossen werden. Thomas Brian Reynolds, Abteilungsleiter des US-Geheimdienstes NSA, bedrängt im Occuquan Park in Baltimore den Vorsitzenden der Republikanischen Partei im Kongress, Hammersley, dieser Gesetzesänderung zuzustimmen. Als Hammersley sich aus moralischen Gründen weigert, wird er durch einen von Reynolds’ Agenten getötet und dieser politisch motivierte Mord als Unfall inszeniert. Der Mord wie auch die Spurenbeseitigung werden durch die aufgestellte Videokamera eines Ornithologen zufällig aufgezeichnet.

Nathan D. Muir, ein Agent der CIA, steht im Jahr 1991 kurz vor seiner Pensionierung. Am letzten Arbeitstag soll er seinen Vorgesetzten Auskunft über den ehemaligen Kollegen Tom Bishop geben, der in China verhaftet wurde. In Rückblenden wird erzählt, wie Muir den viel jüngeren Bishop, einen Scharfschützen der U.S. Marines, im Vietnamkrieg kennenlernte, ihn später als Agenten anwarb und ihm zahlreiche Tricks beibrachte. Die beiden wurden zuerst in Ost-Berlin eingesetzt, wo sie einen Maulwurf in der US-amerikanischen Botschaft enttarnen mussten.

Um ein ruhigeres Leben mit seiner Verlobten Julia führen zu können, hat Ethan Hunt seine Arbeit beim IMF („Impossible Mission Force“) aufgegeben. Sie glaubt, er arbeite für das Verkehrsministerium. Während ihrer Verlobungsparty erhält Hunt einen Anruf seines früheren Kollegen Musgrave, der ihn um seine Unterstützung bittet. Hunt lehnt zunächst ab, doch nachdem er ein Video mit weiteren Informationen gesehen hat, ändert er seine Meinung, da er nun weiß, dass seine ehemalige Schülerin Lindsey von einem Kriminellen namens Owen Davian entführt worden ist. Er macht sich auf den Weg und trifft sich mit seinen Kollegen Luther, Declan und Zhen, mit denen er Lindsey in Berlin aufspürt. Die Mission scheint erfolgreich zu sein, doch dann explodiert in Lindseys Kopf eine winzige Sprengkapsel – sie ist sofort tot. Hunt ist wegen seiner innigen Freundschaft zu Lindsey entschlossen, sich an Davian zu rächen.

Der Film beginnt mit Szenen aus einem Lagerhaus in Mexiko. Dort werden mehrere gefangene Männer von einem maskierten Mann mit einer Kettensäge bedroht. Es deutet sich an, dass er sie ermorden wird. Die folgende Geschichte wird in einer Rückblende von Ophelia „O“ Sage erzählt: Die Surfer Ben und Chon führen mit O in einer Strandvilla im kalifornischen Laguna Beach eine Dreiecksbeziehung. Ihren Lebensunterhalt bestreiten sie durch den Anbau und Handel mit Marihuana. Chon war als Navy Seal im Krieg in Afghanistan eingesetzt und hat von dort extrem hochwertige Samen in die Staaten geschmuggelt, wodurch ihre Drogen von sehr guter Qualität und entsprechend begehrt sind.

Vor dem Hintergrund einer sich weltweit zuspitzenden und mittlerweile menschheitsbedrohenden Energiekrise soll ein Experiment mit einem Hadron-Teilchenbeschleuniger an Bord einer internationalen Raumstation der Schlüssel zur Energieversorgung der Zukunft sein. Doch es kommt zu einem Zwischenfall und plötzlich scheint die Erde verschwunden zu sein. Dafür taucht die geheimnisvolle Jensen auf, außerdem ereignen sich mysteriöse Vorkommnisse. Wie sich herausstellt, ist die Raumstation in einer alternativen Realität gelandet und befindet sich nun auf der anderen Seite der Sonne. Während der Wahnsinn von einigen Besatzungsmitgliedern Besitz ergreift, versuchen die übrigen, den Weg nach Hause zu finden.