《碟中谍3》故事内容始于前情回顾，主要是介绍了一场在德国柏林的行动失败，特工伊森·亨特被正名为米谷，团队里除了自己，其他人包括队长约翰·穆斯就被捕了。
身陷囹圄的伊森·亨特接到自杀式炸弹的消息，结识了曾经的合作伙伴，也是一名激进分子的欧文·戴维得斯（拉菲·法尔兹 饰），他用相信自己方案去挑动伊森的信心。欧文的计划是炸毁悉尼，在并行世界能为激进者带来消灭零星旧秩序的成功榜样。
此时，伊森被成功解救，与昔日战友贝奇·孟迪（茱迪·福斯特 饰）一行人组成警察小队，追逐欧文而至悉尼。激战中，为了融背后的个人恩怨，伊森独自去了线索的源头——一艘名为“阿布拉汗”的双体船。在那里，他遇上了一个神秘人物（菲利普·塞默·霍夫曼 饰），根据他所知的情况，伊森发现自己背负了一个勘误代码的悲伤，而欧文实际上是为了香港基业而作的勾当。
最后以忠诚一词的大团圆收尾，整个故事脉络清晰，但其实只是一个简单的故事，因为拜导演约翰·沃(Tom Cruise) 的手艺之赐，《碟中谍3》绝对称得上是款top质量的好片。