ロシアのクレムリンで爆破事件が発生。その容疑がIMF(極秘スパイ組織・不可能作戦班)のイーサン・ハント(トム・クルーズ)とそのチームにかけられる。米大統領は政府が事件に関与した疑いを避けるため、「ゴースト・プロトコル(架空任務)」を発令。イーサンチームはIMFから登録を抹消されてしまう。国や組織という後ろ盾を失ったまま、クレムリン爆破の黒幕を追い、さらなる核テロを未然に防ぐというミッションの遂行を余儀なくされるイーサンたち。失敗すれば彼らは、凶悪テロリストとして全世界に指名手配されてしまうのだ。黒幕たちの取引の現場は、世界一の高さと最新のセキュリティを誇るドバイの超高層ビル、ブルジュ・ハリファ。難攻不落の天空城に、特殊粘着グローブと命綱一本で外部からの侵入を試みるイーサンだが……。幾重にも張り巡らされた罠と、よぎる裏切りの影。そして次第に明らかになるミッションの〈真の目的〉とは……。