中国香港和美国洛杉矶同时发生了导致严重后果的黑客入侵事件，中国政府和美国联邦调查局决定联手，找到事件的真相。经过调查，黑客在犯罪过程中使用了远程访问工具，而程序的编写者是一位名为尼古拉斯（克里斯·海姆斯沃斯 饰）的神秘男子，身为网络高手的他此时正身陷囹圄。 　　陈大伟（王力宏 饰）是负责此案的军官，他和妹妹（汤唯 饰）远赴洛杉矶，在特工卡罗尔（维奥拉·戴维斯 饰）的帮助下寻得了尼古拉斯的踪迹。两人和尼古拉斯之间达成了一个交易，如果尼古拉斯能够帮助他们找到黑客事件的幕后真凶，那么尼古拉斯就将重新获得自由。

偏僻的俄罗斯驻防军区，两列火车相撞爆炸。随即发生了一场匪夷所思的核爆炸，俄罗斯境内造成重大伤亡。美国白宫反核走私情报部门的朱莉亚·凯利博士怀疑这起核意外并非偶然发生的事故。为了追查这起爆炸的始末，查明背后的真相，朱莉亚与陆军特种部队的少尉托马斯·威尔受命展开调查。他们在艰苦的调查中，竟发现了一个惊天大阴谋。一名冒充政客的核恐怖分子已携带核弹头进入美国本土，欲炸毁设在纽约的联合国总部。本片根据资深调查记者安德鲁·科伯恩和莱斯利·科伯恩的文章改编而成，其中素材源于科伯恩夫妇收集的解密情报和真实新闻事件。

在一次全副武装的运钞车劫案中，梅斯先生（杰森·斯坦森 饰）的儿子作为案发目击者被劫匪杀害。怒火中烧的梅斯为报丧子之仇，化身H卧底成为运钞车安保，试图找出杀害他儿子的劫匪以及与劫匪暗中勾结的安保公司内鬼。

伊森·亨特（汤姆·克鲁斯 Tom Cruise 饰）带领IMF小队继续与AI智体对抗，打响终极之战。

中央情报局密码专家Charlie Heller的妻子在伦敦一场恐怖袭击中丧生，他要求上司追捕凶手，但由于利益冲突无法成行，于是他胁迫该机构训练他本人，自己展开行动。

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