Cuando a la tripulación de la nave Enterprise le ordenan que regrese a casa, en la Tierra se enfrentan a una terrorífica fuerza que, aparentemente desde dentro, ha perpetrado un ataque a la cúpula de la Federación y todo lo que ésta representa, sumiendo a la flota en una profunda crisis. Para intentar solucionar el problema, y con un asunto personal que resolver, el capitán Kirk encabeza una incursión a un planeta en guerra para capturar a un hombre que es un arma de destrucción masiva. A medida que nuestros héroes se van sumergiendo en una épica partida de ajedrez a vida o muerte, la lealtad se verá puesta a prueba, las amistades se romperán, y habrá que hacer ciertos sacrificios por la única familia que le queda a Kirk: su tripulación.

Un grupo de los años 80 llamado The Suburbans, se reune al cabo de unos cuantos años para hacer una actuación especial para la boda de uno de sus miembros. Durante la fiesta, un joven cazatalentos decide dar una oportunidad al grupo.

Tras haber llevado a cabo diversas misiones, el agente especial Ethan Hunt (Tom Cruise) se ha retirado del servicio activo y se ha prometido con su amada Julia (Michelle Monaghan). Pero, cuando es secuestrado uno de los agentes entrenados por él, volverá de nuevo a la acción. También tendrá que enfrentarse a Owen Davian (Philip Seymour Hoffman), un individuo sin escrúpulos que trafica con armas y con información.