1845年，尚年幼的维克多与詹姆斯兄弟俩在长辈之间一场突如其来争执中唤醒了自身的潜能，詹姆斯情急之下将陌生的生父杀死，自此兄弟两人流落战场，他们凭借不死不衰之身和野兽一般的天赋在各个时代的战争中大开杀戒，直到遇见史崔克少校并加入了他的异能人特殊部队。詹姆斯（休·杰克曼HughJackman饰）很快厌倦了对弱势者的杀戮，离开了团队和维克多（列维·施瑞博尔LievSchreiber饰），与女友凯拉隐居在山林中，做了一名伐木工人。六年后，詹姆斯惊闻昔日的超能力队友纷纷被杀害，而杀手正是哥哥维克多，不久连凯拉也遭其毒手，愤怒的詹姆斯与史崔克合作，将自己的身体改造，成为钢筋铁骨的“金刚狼”。金刚狼摆脱军方控制后，发誓要杀死维克多和史崔克为凯拉报仇……

凯西（尼古拉斯·霍尔特 Nicholas Hoult 饰）是一个无所事事整日里游手好闲的小贼，因为在美国前科太多，罪行累累，而最终决定逃往德国。在那里，凯西成为了大毒枭格兰（本·金斯利 Ben Kingsley 饰）的手下。虽然对于一个正常人来说，为毒枭卖命并不算是一份健康的工作，但对于过惯了颠沛流离生活的凯西来说，他感到很满足。                                                                      　　某日，凯西得知自己的恋人朱丽叶特（菲丽希缇·琼斯 Felicity Jones 饰）患上了重病，急需肾脏移植，为了筹得巨额的医疗费，凯西决定先将自己的安危放到一边，做一单大买卖。哪知道这一单大买卖令凯西被卷入了和德国最大的毒枭哈根（安东尼·霍普金斯 Anthony Hopkins 饰）的利益纠葛之中。

　　超级病毒“金美拉”和抗生素在运送途中，被恐怖组织头目SeanAmbrose（DougrayScott 饰）盗走，EthanHunt（TomCruise饰）率领他的IMF小组接受中情局的任务，找回病毒。
　　这次，EthanHunt找到了女飞贼NyahNordoff-Hall（ThandieNewton 饰）搭档，后者是SeanAmbrose的前女友。EthanHunt在获取Nyah信任的同时，二人也暗生情愫。
　　但是，为了完成任务，EthanHunt不得不安排Nyah回到SeanAmbrose身边卧底。
　　Nyah终于打探出病毒所在的药厂，接获情报的EthanHunt前往药厂准备销毁病毒；另一边，SeanAmbrose已经察觉出了Nyah回到自己身边的真正目的，组织人马在药厂等待EthanHunt自投罗网。
　　激烈的搏斗中，Nyah为了帮助EthanHunt完成任务，将病毒注入了自己体内，只有在20个小时之内将抗生素注入Nyah体内，才能挽救她的性命，EthanHunt又将面临不可能的任务。