Les agents britanniques James Bond, nom de code 007, et Eve sont à Istanbul à la suite du meurtre d'une section du MI6 et du vol d'un disque dur d'ordinateur contenant les identités de tous les agents de l'OTAN infiltrés dans des organisations terroristes. Bond et Eve, à bord d'une voiture, prennent le meurtrier en chasse dans le but de récupérer le disque dur. Une course poursuite s'engage ensuite à moto sur les toits jouxtant le grand bazar d'Istanbul et Sainte-Sophie, puis sur un train en direction de la campagne, où Bond est blessé à l'épaule. Les deux hommes luttent sur le toit du train et Bond essaie d'attraper le disque dur. Eve, risquant de voir le meurtrier s'échapper définitivement avec le disque, reçoit de M l'ordre express d'abattre la cible. Elle rate son tir et touche Bond, provoquant sa chute du train vers le précipice en contrebas sur le pont d'Adana. Bond est laissé pour mort.
Un message cryptique venu tout droit de son passé pousse Bond à enquêter sur une sinistre organisation. Alors que M affronte une tempête politique pour que la section 00 des services secrets britanniques ne soit pas supprimée, Bond s'allie avec la fille d'un ancien ennemi, Madeleine Swann, afin de découvrir la terrible vérité derrière le SPECTRE...
Ethan Hunt accepte une nouvelle mission décrite sur une bande magnétique qui s'autodétruit cinq secondes plus tard : le « Syndicat », dont le chef, Solomon Lane, a été arrêté deux ans auparavant par Hunt et son équipe, s'est reformé sous la forme d'un groupe terroriste dénommé « Les Apôtres », avec l'aide de Nils Debruuk, spécialiste norvégien en armes nucléaires. La mission de Hunt est d'intercepter une livraison de trois charges portables de plutonium aux Apôtres, qui doit se dérouler à Berlin. Il s'y rend avec Benji et Luther, mais ce dernier est pris en otage par les Apôtres ; en voulant le sauver, Hunt oublie de surveiller les bombes dont s'emparent les terroristes.
James Bond n'est plus en service et profite d'une vie tranquille aux côtés de Madeleine Swann. Mais son répit est de courte durée car l'agent de la CIA Felix Leiter fait son retour pour lui demander son aide. Sa mission, qui est de secourir un scientifique kidnappé, va se révéler plus traître que prévu, et mener 007 sur la piste de Safin, un ennemi possédant une nouvelle technologie particulièrement dangereuse.
Lors d'une mission à Budapest, l'agent Hanaway de l'unité IMF (Impossible Missions Force) est tué par la tueuse à gages Sabine Moreau, qui récupère les codes de lancement d'une ogive nucléaire. L'unité doit donc récupérer l'agent Ethan Hunt, alors en détention dans une prison de Moscou pour une raison inconnue. L'évasion est un succès, malgré la décision de Hunt de faire évader l'un des détenus, Bogdan, qui détient de précieuses informations. À peine libéré, Hunt se voit chargé d'une mission : infiltrer avec les agents Benjamin Dunn et Jane Carter au plus vite les archives du Kremlin pour récupérer le dossier de Cobalt, le terroriste qui a engagé Moreau.
Après avoir intercepté un gaz toxique vendu à un groupe terroriste, l'agent Ethan Hunt (Tom Cruise) pense pouvoir démontrer l'existence du Syndicat, un groupe criminel agissant à l'échelle internationale. Capturé dans une station londonienne de la Force Mission impossible (IMF) camouflée en magasin de disque, il s'enfuit d'une pièce où il s'apprête à être torturé par Janik Vinter (Jens Hultén), grâce à l'aide d'une agente désavouée du MI6, Ilsa Faust (Rebecca Ferguson). Entre-temps, le directeur de la CIA, Alan Hunley (Alec Baldwin), et l'agent William Brandt (Jeremy Renner) paraissent devant une commission du gouvernement américain. Hunley obtient que l'IMF soit démantelée et ses agents intégrés au sein de la CIA. Ethan Hunt refuse la décision et continue sa traque du Syndicat en cherchant activement un homme blond portant des lunettes, plus tard identifié comme Solomon Lane (Sean Harris).
James Bond vient d'obtenir le statut d'agent 00 au sein du MI6. Après une mission qui se solde par la destruction d'une ambassade à Madagascar, Bond est envoyé en vacances. Il poursuit cependant sa mission à Nassau. Il rencontre des agents terroristes qui travaillent pour un certain Le Chiffre. Bond va alors traquer celui-ci jusqu'au Monténégro et y mènera sa première mission, qu'il réussira au prix d'importants sacrifices.
Après avoir arrêté M. White dans sa villa, James Bond le met dans le coffre de sa DBS mais est poursuivi par les hommes de ce dernier sur les rives du Lac de Garde. Il arrive tout de même à les semer après une course-poursuite dangereuse, qui a lourdement endommagé sa voiture, et à rejoindre une antenne secrète du MI6 dans le vieux centre de Sienne.
Quadruple champion de la Piston Cup, la voiture de course Flash McQueen revient chez lui à Radiator Springs et retrouve son meilleur ami, Martin, et sa petite amie, Sally Carrera. L'ancien magnat du pétrole Sir Miles Axlerod, maintenant défenseur de l'énergie verte et reconverti en voiture électrique, annonce une série de courses appelées le « World Grand Prix », comme un moyen de promouvoir l'Allinol, un carburant qu'il a créé. Bien que McQueen refuse d'abord de participer, le défi lancé par la voiture de Formule 1 italienne Francesco Bernoulli, ainsi que l'intervention de Martin, le conduisent à entrer dans le Grand Prix. À la demande pressante de Sally, McQueen accepte d'emmener Martin au Japon avec lui. Mais la dépanneuse l'embarrasse à plusieurs reprises à cause de sa joyeuse naïveté.
L'agent Ethan Hunt est chargé de retrouver un virus nommé « la Chimère », tombé aux mains d'un certain Sean Ambrose, un ancien agent et collègue d'Ethan. Pour ce faire, ce dernier est secondé dans sa tâche par deux autres agents : Luther Stickell, qu'il avait recruté pour sa précédente mission, et un certain William Baird, dit « Billy ». Ethan a par ailleurs rallié à sa cause Nyah Nordoff-Hall, l'ancienne petite amie de Sean.
Jim Phelps et ses agents sont envoyés à Prague avec pour mission d'appréhender un espion ennemi lors d'une réception dans l'ambassade américaine. Cet homme, Alexander Golytsin, s'apprête à dérober une disquette contenant la liste secrète des agents infiltrés en Europe centrale. Seulement, les agents de l'IMF (Impossible Missions Force) ignorent que la CIA, persuadée que le commando est infiltré par une taupe, a envoyé une autre équipe. Presque tous les membres de l'équipe de Phelps sont tués, sa femme, Claire, les agents Jack Harmon, Sarah Davies et Hannah Williams. Jack meurt empalé dans une cage d'ascenseur et Jim est abattu sur le pont Charles et tombe dans la rivière Vltava, Claire et Hannah sont tuées dans l'explosion de leur voiture. Sarah, qui suivait Golytsin, tombe tout comme lui dans un piège et est mortellement blessée par un tueur qui la poignarde et dérobe la liste "NOC". L'un des survivants, Ethan Hunt, tente de s'échapper.
Jason Bourne vit tranquillement maintenant. Mais le département de la Défense lance en grand secret un second programme encore plus sophistiqué : Blackbriar, visant à fabriquer une nouvelle génération de tueurs supérieurement entraînés. Jason est, pour le directeur des opérations spéciales, une menace et une tache à effacer au plus vite. Ordre est donné de le supprimer. La traque recommence : Moscou, Paris, Madrid, Londres, Tanger et New York.
James Bond est en mission en Corée du Nord à la suite d'une enquête sur un trafic d'armes et de diamants de contrebande, dirigé par le Colonel Moon. Mais quelqu'un le trahit et après une course-poursuite menant à la mort du colonel nord-coréen, il se fait capturer par le Général Moon (le père du colonel), puis torturer.
Durant une mission au Moyen-Orient, l'espion britannique Harry Hart et presque tous ses agents échappent à la mort grâce au sacrifice de l'un d'eux. À son retour en Angleterre, il tente de réconforter la veuve de celui-ci. Mais celle-ci est inconsolable et refuse la médaille de bravoure que Harry lui offre ; aussi la donne-t-il à son jeune fils, Gary « Eggsy » Unwin ; cette médaille comportant un numéro de téléphone, à utiliser avec un mot de passe en cas d'urgence.