IMF 소속의 짐 펠프스(Jim Pellps: 존 보이트 분)가 이끄는 '미션 임파서블'팀은 리더인 이단 헌트(Ethan Hunt: 톰 크루즈 분), 경보 해제 전문가 잭(에밀리오 에스테베즈 분), 여성 요원인 사라(Sara: 크리스틴 스콧-토마스 분)와 한나, 그리고 짐의 아내인 클래어(Claire: 엠마뉴엘 베아트 분)로 구성되어 있다. 이들은 글리촌이라는 자가 NOC 리스트(Non Official Cover List: 동유럽에서 활동하고 있는 첩보원들의 명단)를 대사관에서 훔쳐내 '맥스(Max: 바네사 레드그레이브 분)'라는 무기상에게 팔아 넘기려는 음모를 막기 위해 작전에 투입된다. 그러나 대사관 파티에 잠입하여 작전을 수행하나 도중, 짐을 포함한 요원들이 모두 숨지게 되고 혼자 살아남은 헌트만이 간신히 본부와 연락을 취하게 된다. IMF 책임자인 키트리지(Kittridge: 헨리 크제니 분)를 만난 헌트는, 그를 통해 이번 작전은 정보부내 깊숙이 침투해 있는 이중 간첩을 잡아내기 위한 작전이었으며 글리촌도 미끼였다는 것이다. 더구나 모든 요원들이 죽었는데, 이단만이 살아남았고, 그에게 수상쩍은 12만달러의 거금이 입금되어 의심을 받고 있음을 알고는, 홀로 탈출한다. 이때 살아남은 클레어가 나타나 헌터와 합류하게 된다. 헌터는, 동료들을 죽인 문제의 범인이 인터넷에서 '옵'이라는 이름을 사용하여 무기 밀매상인 맥스와 접선했던 것을 알고는, 맥스를 만나는데 성공한다. 그를 통해 옵이 NOC 리스트를 600만 달러의 돈과 바꾸려 했음도 알고 CIA 본부 건물의 진짜 리스트가 들어있는 디스크를 빼내어 1천만 달러과 바꾸겠다는 것을 약속받는다. 이어 크리거(Krigger: 쟝 르노 분)와 나토 컴퓨터를 해킹했다는 컴퓨터 천재 루터(Luther: 빙 래미스 분)와 손잡고 팀을 이룬 헌터는 마침내 NOC 리스트를 빼내는데 성공한다. 이에 분노한 키트리지가 헌트의 부모를 마약 밀매 협의로 체포하여 협박하려하고 그 앞에 놀랍게도 살아있는 짐이 나타난다. 그는 키트리지가 범인이라며 헌터를 설득하지만 그를 의심하게 된 헌트는 자신과 함께 행동을 해온 짐의 아내인 클레어가 짐과 한통속이었다는 것을 알아내게 된다. 냉전시대가 이미 끝나버린 지금 짐에게 있어 가장 중요했던 것은 동료애 보다 돈이었던 것이다. NOC 리스트와 돈을 교환하려는 파리행 고속 기차에서 무정하게 아내까지 쏴버린 짐은 헬기로 탈출하려 하지만 헌트에 의해 저지당하고 모든 일을 마친 헌트는 비행기를 타고 고향으로 돌아간다. 그러나 비행기 속에서 또다시 모종의 지령을 받기에 이른다.