俄联邦一艘最先进的潜艇波尔号，经过74天的航行及隐形测试，即将返航。潜艇上的反声波隐形能力可以确定为世界上最尖端的战争科技。也将会是人类有史以来最可怕的杀人机器。美国为了破坏波尔号的隐形能力，将一个初级人工智能传送到了波尔号上，以便暗中监视。不知道什么原因，人工智能与潜艇上的防御系统的结合，产生了自主意识。结果，潜艇被自己发射的鱼雷击中，沉入了海底，里面的船员尸体漂浮到水面被人发现，潜艇中央控制室的钥匙却失踪了。

        伊森接到了寻找钥匙的任务，这其中还牵涉到伊尔萨，伊尔萨在伊斯坦布尔抢到了半把钥匙，被政府悬赏，现在那些赏金猎人正在前往鲁卜哈利沙漠。

        一阵青烟过后，伊森跟踪赏金猎人来到了也门边境的沙漠。正在发信号的伊森被赏金猎人察觉，在伊尔萨的配合下将赏金猎人全部送去见了真主。伊尔萨假死脱身，半把钥匙到了伊森手中。

          华盛顿情报部门通气会上，一群人正在讨论智体，智体通过不断地学习，已经有了自我意识。现在的智体已经能随意入侵网络，篡改数据，甚至利用人性的弱点指挥人类。它将会是一个无处不在而又虚无缥缈的敌人。但是，世界各国都在想方设法要去控制它，成为全球霸主。而想要控制它，就要找到两把相互验证的钥匙。得到钥匙拒不上交的伊森成为了中情局的通缉对象。

        伊森利用手中的半把钥匙，联系到一位买家在机场交易，他猜测买家为了验证真假，会带上另半把钥匙，到时候就可以跟踪买家知道钥匙的用途。伊森为此还特意准备了高科技打火机和眼镜，这样能监测到与自己钥匙相同的放射性物质。

        交易当天，得知消息的中情局特工布瑞戈带领手下在天眼的帮助下准备抓捕伊森，却被入侵了天眼系统的卢瑟耍的团团转。而伊森这边，通过眼镜找到了携带钥匙的买家，并让班吉安排了相同航班。尾随的伊森突然发现钥匙被一名女扒手给偷了去。被打乱计划的伊森只得去追女扒手。班吉这边又发现问题，一个可疑包裹被送往了买家和伊森的航班，于是赶紧下去查看。

        伊森拦住了叫格雷丝的女孩，希望她能把钥匙还给买家，作为报答，交易金归格雷斯所有。班吉找到了可疑包裹，里面竟然是一个可以摧毁整个机场的小型核弹。当他拿起的时候，炸弹便开始了5分钟倒计时。学聪明的布瑞戈让人两两一组寻找伊森。还有一个神秘人一直在暗中盯着伊森。整个机场仿佛即将爆发的岩浆暗流涌动，当格雷丝即将还回钥匙的时候，却发现买家已经被杀。正在躲避追捕的伊森这时才知道炸弹的事，在炸弹即将爆炸的时候，被班吉成功解除，却发现里面是空的。还没松口气，伊森又发现格雷丝偷了钱和钥匙溜了。还没来得及追赶，转头间他发现一个记忆中的男子在眼镜里消失。知道不妙的他，立即通知卢瑟和班吉撤退。

        格雷丝在罗马海关被人举报被抓，举报她的人正是伊森。伊森假扮律师找到了格雷丝，格雷丝也说出了实情，她接受雇主委托负责偷取钥匙，送到威尼斯公爵府。两人在逃离过程中，遭到了布瑞戈的追捕还有一位神秘女子的追杀。好不容易逃了出来，却又被格雷丝逃脱，伊森还差点被迎面而来的列车碾压。

        小队成员还有假死脱身的伊尔萨汇合后来到了威尼斯，他们对目前的情况进行了分析，格雷丝的雇主原来是白寡妇阿来拉。卢瑟还通过机场视频找到了一个被智体保护的人，伊森也认出了这个人。30年前也是因为他杀了玛丽，伊森才选择加入碟中谍，也是因为他让伊森痛苦了30年。伊尔萨只知道他叫盖布瑞尔，是智体的信使，在智体的帮助下，没人知道他的过去。钥匙可以打开智体的源代码。伊森根据伊尔萨的叙说，猜测这都是智体在操控一切，伊尔萨，卢瑟，班吉的到来，都有可能是智体的安排。伊森不想让他们处在危险之中，劝说三人离开，但是三人都一致认为与这次的危机相比，自己的性命不值一提。

        几方都汇聚到公爵府，盖布瑞尔和帕丽斯，伊森和伊尔萨，还有独自前来的格雷丝，最后出场的阿来拉。盖布瑞尔利用智体的强大计算能力，知道东方快车上的交易，甚至可以预判一个人的未来。在强大的智体面前，生不出反抗之心的阿来拉不顾伊森的劝阻，放走了盖布瑞尔。为了保住自己的命，阿来拉还打算逼迫格雷丝交出钥匙，打斗中格雷丝又一次逃脱，追出来的伊森被帕丽斯带人堵住了去路。逃走的格雷丝也被盖布瑞尔拦住。虽然伊森最后放了帕丽，却没来得及救下救了格雷丝的伊尔萨。现在摆在格雷丝面前的只有三条路，坐牢，被杀，或者加入碟中谍成为幽灵般的存在。

        东方快车上，帕丽斯打晕列车人员，将盖布瑞尔放了出来。盖布瑞尔又杀了锅炉工并破坏了刹车系统，由于做面具的设备损坏，无法使用面具的伊森只能爬火车。谁知火车的速度超出了预期，伊森没能赶上，只得重新找上车地点。准备到包厢缓口气的阿来拉看到了另一个自己，还没来得及反应，就被假扮的格雷丝放倒。格雷丝拿到了钥匙并见到了前来交易的基特里奇。另一边的中情局局长也偷偷的联系上了盖布瑞尔。他声称只有他一个人知道潜艇沉没的具体下落，如果能够携手合作，这样就可以清除异己，统治世界。结果被盖布瑞尔一刀毙命，被智体判定会背叛的帕丽斯也被盖布瑞尔刺中要害。格雷丝将钥匙交给了基特里奇，并准备接受10亿美金。当她想起被杀的玛丽和伊尔萨，还有让人安心的伊森。她取消了交易，并偷回了钥匙。这时真的阿来拉赶到，基特里奇才发现钥匙不见了，追出来的左拉逼迫格雷丝交出了钥匙并打算杀了她，伊森的及时出现救下了格雷丝，钥匙却如预言般落入了盖布瑞尔的手中。打斗中伊森差点杀了盖布瑞尔，正在他犹豫之际，布瑞戈的出现，让盖布瑞尔跳车逃脱。但是钥匙却又一次落入了伊森之手，当盖布瑞尔发现时已经为时已晚。火车即将到达计划的爆炸地点，关键时刻，伊森与格雷丝切断了火车头，随着爆炸声响起，火车头冲下了断桥，两人差点也跌入桥下，帕丽斯拖着重伤的身体救下了伊森二人。在她临死前告诉了伊森，钥匙跟波尔号潜艇有关。

      最后，伊森跳伞离开，格雷丝也选择加入碟中谍。