悉尼生基制药公司的首席科学家拉德博士，视频留言给好友伊森，视频中他提到，公司为了能够找到英雄柏勒洛丰，他们创造了怪物奇美拉。拉德博士恳请伊森能来护送他到亚特兰大，不管用什么方式必须在20个小时内到达目的地。
在公司的实验室内，拉德博士偷偷将一支红色液体注入了自己手臂后，提着公文包急匆匆地离开了公司大楼，并将计时器调整为20个小时。
前往亚特兰大的飞机上，拉德与伊森为感染了奇美拉而死的朋友感到遗憾。拉德庆幸伊森能够前来护送。突然广播里传来机长的通报，因为机舱内出现轻微压力降低，为了以防万一，机长要求乘客戴上氧气面罩。戴上面罩的人都陷入了昏迷，包括副驾驶。这时拉德才发现伊森是假，可为时已晚。自己身死，公文包也被拿走。这时，假伊森撕下面具，带着手下跳机离去。飞机撞毁在落基山脉中。
度假的伊森正在享受一个人的时光，他还不知道有人假扮他并杀了他的好友。刚刚完成攀岩，一架直升机盘旋而至，对着伊森就是一发导弹。导弹落地冒着青烟，伊森也露出无奈的笑。M先生发来任务，找回失窃物品奇美拉，任选两名队员，第三名指定成员神偷奈雅要48小时内招募完成。
西班牙塞利维亚富豪庄园内正在举办一场派对，奈雅趁机溜到主人房间，打算偷取价值50万英镑的宝格丽珠宝项链，被跟踪而至的伊森调戏，得到了珠宝后又失去了珠宝。感觉受到羞辱的奈雅愤然离场。第二日，伊森又找上奈雅，两人在山路上飙车让奈雅一时失神，差点撞上迎面而来的卡车，躲避中汽车失去控制差点跌入悬崖，幸得伊森及时救助才得以脱险，两人的惊险瞬间转变成柔情。
来到塞尔维亚的伊森打算接取任务，这时他才得知好友拉德已死。拉德找伊森，伊森度假无法联系，所以M先生让肖恩伪装成伊森去护送拉德，结果肖恩叛变杀了拉德，并抢走了奇美拉。想要知道肖恩抢奇美拉的目的，那就需要奈雅去做卧底，因为肖恩与奈雅曾经是一对。对于M先生来说，让奈雅牺牲一点曾经的你情我愿，是可以接受的。但对于伊森来说，让刚刚成为自己女友的奈雅去卧底，他自己就无法接受。M先生拿出飞机上众多无辜乘客惨死的照片时，伊森犹豫了。看到照片的奈雅却无动于衷，当看到伊森那纠结的表情，奈雅同意去做卧底。
正在密切关注政府信息的肖恩，第一时间知道了奈雅被抓，于是他通过一些手段将奈雅接到了自己的私人别墅。于此同时，伊森选择的两个同伴电脑怪杰卢瑟和中情局多面手比利来到了一处农场与伊森汇合。他们通过给奈雅植入的无法追踪的信号发射器找到了肖恩的落脚点。通过卫星，看到奈雅与肖恩的亲密举动，伊森心里五味杂陈。根据伊森对拉德的留言分析，奇美拉应该是一种病毒，而柏勒洛丰是一种能克制奇美拉的解毒剂。
看着报纸上的英镑图案和3700万字样，肖恩对买家出价甚是满意，可惜当初只得到了解毒剂而没有发现奇美拉病毒。看着躺在肖恩床上熟睡的奈雅，肖恩的得力干将休提出了质疑，他认为奈雅的目的并不单纯，需要对她防着点。肖恩则认为不管她的目的如何，都在他的掌控之内，或许还可以反过来利用她。对于休的质疑，心狠手辣的肖恩直接切了休的手指以示惩戒。
赛马场内人声鼎沸，肖恩带着奈雅赌马。趁着肖恩离开之时，假拌服务人员的比利将耳机交到了奈雅手中，奈雅也看到了伊森，她将在肖恩处看到的情况跟伊森说了一遍。这时，伊森从望远镜里发现，肖恩在休息区找上了拉德的老板，约翰。肖恩给约翰看了相机里的某个东西，随后，肖恩将存储卡放入了左手口袋，约翰则不悦的离开。肖恩回到了观马区，奈雅借买马没钱为由，偷出了肖恩口袋的存储器，并将其交到了伊森手中，通过存储器，伊森看到了令人震惊的画面，他的朋友在感染奇美拉后变化的全过程。既然奈雅的任务已完成，伊森要求奈雅尽快离开澳大利亚，如果不走，他回去强行带走他。这时，被比利阻拦而耽误时间的休追了过来，奈雅只得跟他回去。匆忙中，奈雅将存储器放到了肖恩的右边口袋。
伊恩假扮拉德从约翰口中得知了事情的原委，原来，拉德发明了所有流感的解药，同时也制造出一种能大面积感染的病毒。如果能让病毒扩散，那么解药将会是无价之宝。宛如做梦般醒来的约翰发现已经到了家门口。与此同时，已经怀疑上奈雅的肖恩又一次假扮伊森，确认了奈雅是卧底的事实。
事情到此，伊森与肖恩的正面对决即将开始。伊森知道了肖恩手上只有解毒剂没有病毒，而肖恩知道伊森找过约翰后肯定会去毁了病毒。
伊森通过天井成功潜入实验室，当最后一支奇美拉即将毁灭时，肖恩带着众多部下阻止了伊森，奇美拉在争斗中掉落地上。双方僵持中，肖恩以奈雅为威胁，逼迫奈雅去取奇美拉。拿到奇美拉的奈雅直接将其注入了自己体内。伊森心痛之余，也只得先行撤退。临走前，伊森承诺奈雅一定会在20小时内找到解药救她。
得到解药和病毒的肖恩，打算将其卖给约翰，其最终目的是想控制生基制药，这样他就可以得到数百亿美元。在肖恩的威逼下，约翰不得不与肖恩达成交易。前来抢夺解药的伊森被休抓住拖到了肖恩面前，肖恩在兴奋中对着伊森连开数枪。当他发现被杀的是休时，假扮休的伊森已经拿到解药和病毒快速逃离。肖恩带着众多手下在追逐过程中被伊森一一解决。奈雅也在生命的最后一刻被伊森救下。
