Après avoir vaincu Owen Shaw (Luke Evans) et sa bande, et avoir obtenu l’amnistie, Dominic Toretto (Vin Diesel), Brian O’Conner (Paul Walker) et leurs amis sont de retour aux États-Unis pour mener à nouveau une vie de famille tranquille. Brian commence à s’habituer à sa vie de père tandis que Dom tente d’aider Letty (Michelle Rodríguez) à retrouver la mémoire en la ramenant aux Race Wars (« Guerres de courses ») ; cependant, après une altercation avec Hector (Noel Gugliemi), un vieil ami à eux et organisateur du tournoi, elle s’en va. Plus tard, Dom la retrouve au cimetière devant sa tombe, persuadée qu’elle ne retrouvera jamais la mémoire. Alors que Dom se prépare à la détruire, Letty l’arrête, insistant sur le fait que la Letty qu’il a connu est morte le jour où elle a perdu la mémoire, et donc que c’est une nouvelle Letty qu’il a en face de lui. Et sur ces mots, Letty abandonne Dom et disparaît en voiture. Au début du film, le frère aîné de Owen, Deckard Shaw (Jason Statham), s’est introduit par effraction dans l’hôpital sécurisé où Owen se trouve dans le coma et a juré de le venger de Dom et son équipe.
Dans un futur proche, les États-Unis ont développé ce qui est appelé le « rêve partagé », une méthode permettant d'influencer l'inconscient d'une victime pendant qu'elle rêve, donc à partir de son subconscient. Des « extracteurs » s'immiscent alors dans ce rêve, qu'ils ont préalablement modelé et qu'ils peuvent contrôler, afin d'y voler des informations sensibles stockées dans le subconscient de la cible. C'est dans cette nouvelle technique que se sont lancés Dominic Cobb et sa femme, Mal. Ensemble, ils ont exploré les possibilités de cette technique et l'ont améliorée, leur permettant d'emboîter les rêves les uns dans les autres, accentuant la confusion et donc diminuant la méfiance de la victime. Mais l'implication du couple dans ce projet a été telle que Mal a un jour perdu le sens de la réalité ; pensant être en train de rêver, elle s'est suicidée, croyant ainsi revenir à sa vision de la réalité. Soupçonné de son meurtre, Cobb est contraint de fuir les États-Unis et d'abandonner leurs enfants à ses beaux-parents. Il se spécialise dans l'« extraction », en particulier dans le domaine de l'espionnage industriel ; mercenaire et voleur, il est embauché par des multinationales pour obtenir des informations de leurs concurrents commerciaux.
Dominic Toretto, Brian O'Conner et toute leur équipe, après le casse de Rio de Janeiro, ayant fait tomber un empire criminel en empochant 100 millions de dollars, se sont dispersés dans le monde entier. Mais l’incapacité de rentrer chez eux et l’obligation de vivre en cavale permanente, laissent à leur vie le goût amer de l’inaccomplissement. Pendant ce temps Luke Hobbs traque un groupe de chauffeurs mercenaires aux talents redoutables, dont le meneur, Owen Shaw est secondé d’une main de fer par l’amour que Dominic croyait avoir perdu pour toujours : Leticia Ortiz. La seule façon d’arrêter leurs agissements est de les détrôner en surpassant leur réputation. Luke demande donc à Dominic de rassembler son équipe de choc à Londres. En retour ? Ils seront tous graciés et pourront retourner auprès de leurs familles, afin de vivre une vie normale.
À San Francisco, après 3 ans de prison pour cambriolage, Scott Lang est hébergé par son ancien voisin de cellule Luis. Scott tente ensuite de trouver un emploi, car la désistance lui permettrait d'obtenir un droit de visite de sa fille Cassie, âgée de 7 ans, auprès de son ex-femme Maggie, qui s'est recasée avec le policier Paxton. Pendant ce temps, le Dr Henry « Hank » Pym sort de sa retraite, invité par le docteur Darren Cross, son ancien assistant qui l'a évincé de la direction de Pym Technologies, à assister à la démonstration de son nouveau projet : le Yellowjacket, un costume permettant de réduire la taille de son porteur à celle d'un insecte, comme le légendaire super-héros Ant-Man dont il s'inspire. Hope van Dyne est la seule à savoir que son père Hank a réellement été Ant-Man et ce en duo avec sa mère Janet, alias la Guêpe. Hank réalise l'urgente nécessité de protéger le secret de son costume, pour éviter le pire, en détruisant le Yellowjacket et toutes les données du projet. Pour cela, il doit faire en sorte que Scott devienne son successeur et le héros qui est en lui.
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.
Papa trop souple avec ses enfants, Daniel Hillard perd la garde de ces derniers lorsque sa femme Miranda demande le divorce, après qu'il ait organisé une fête surprise et que la maison soit en chantier. Pour les revoir il devient, grâce à ses talents d'acteur et à son frère prothésiste, une respectable et agréable gouvernante écossaise : Madame Iphigénie Doubtfire. Miranda, tout comme les trois enfants, s'y laisse prendre et l'engage.
New York, 1995. Un magasin est soufflé par l'explosion d'une bombe. L'attentat est revendiqué par un inconnu se faisant appeler Simon. Celui-ci exige que le lieutenant John McClane se livre à un périlleux « Jacques a dit » à travers toute la ville, à défaut de quoi d'autres bombes exploseront. Mais John McClane ne tarde pas à découvrir qu'il est en fait le jouet d'une vaste machination. Zeus Carver, que McLane a rencontré à Harlem, est embarqué contre sa volonté dans cette journée infernale.
Cela fait trois ans que les « onze » du gang de Danny Ocean ont effectué le braquage historique des trois plus gros casinos de Las Vegas. Depuis, ils se sont dispersés dans la nature avec l'intention de mener une existence honnête.
En 1969, dans une prison de Marseille, l'agent du FBI Carl Hanratty est chargé de l'extradition de Frank Abagnale, Jr. Ce dernier, recherché par la justice américaine pour avoir escroqué plusieurs millions de dollars en usurpant plusieurs identités, est malade et tente de s'évader de prison. Pour comprendre pourquoi le jeune homme est devenu le plus grand faussaire des années 1960, il faut revenir six années plus tôt quand, adolescent, Frank vit avec son père et sa mère, d'origine française (tous deux se sont rencontrés à la Libération). Après le refus d'un prêt bancaire à son père, poursuivi par le fisc, la famille est contrainte de déménager dans un appartement. Le jeune Frank découvre que sa mère voit un autre homme et, après s'être fait passer pour un professeur à son lycée (sa première usurpation d'identité), il s'enfuit, horrifié, de chez lui, alors que ses parents préparent leur divorce. Ce coup dur est le déclencheur de ce que va devenir Frank. Lorsqu'il est à court d'argent, l'adolescent décide de se faire passer pour un copilote d'avion de ligne et escroque plusieurs compagnies aériennes.
Un illusionniste, Daniel Atlas, son ancienne assistante, Henley Reeves, un prestidigitateur pickpocket, Jack Wilder, et un mentaliste hypnotiseur aigrefin, Merritt McKinney, sont recrutés par un mystérieux anonyme. Un an plus tard, ils forment « Les 4 Cavaliers », un groupe d'illusionnistes conduits par le charismatique Daniel Atlas. Ils font d'abord un spectacle à Las Vegas, dans lequel ils surprennent le public en cambriolant, en direct et à distance, une banque en France et en faisant pleuvoir sur le public les billets de banque volés. Puis, à La Nouvelle-Orléans, ils dérobent les millions de leur mécène, Arthur Tressler, un assureur n'ayant pas indemnisé les victimes de l'ouragant Katrina, afin de les répartir sur les comptes bancaires du public, composé d'invités floués par Tressler.
Stanley Ipkiss est un banal employé de banque. Il voue une passion aux cartoons de Tex Avery. Un soir, il trouve un masque ancien doté de pouvoirs surnaturels révélant et exagérant la personnalité de son possesseur. Chaque fois qu'il le porte, il devient The Mask, personnage loufoque, sûr de lui et plein de ressources qui défraie la chronique.
Benjamin Gates, dit Ben, suit les traces de la famille Gates, en voulant mettre la main sur le fameux trésor des Templiers, d'une valeur incommensurable, qui aurait été caché par les Francs-Maçons durant la guerre d'indépendance des États-Unis. Toutefois, cette quête n'est pas une mince affaire puisqu'on ne peut atteindre le trésor qu'en suivant un indice, qui aboutit généralement à un autre indice.
Un an après avoir déjoué le FBI et gagné l'adulation du public avec leur spectacle de magie, les membres restants des 4 Cavaliers — J. Daniel Atlas (Jesse Eisenberg), Merritt McKinney (Woody Harrelson) et Jack Wilder (Dave Franco) — vivent dans la clandestinité en attendant d'autres instructions de L’Œil, la société secrète des magiciens qui les a recrutés dans le premier film. Atlas, ayant mûri, fatigué d'attendre une mission, cherche L’Œil par lui-même. Sa recherche le conduit à un tunnel souterrain dans lequel il entend une voix qui lui dit que son attente approche de sa fin. Comme il retourne à son appartement, il trouve l’illusionniste Lula May (Lizzy Caplan) dans son appartement. Contrecarrant ses tentatives pour la lier, elle s’échappe. Atlas va ensuite rencontrer le reste de l'équipe au moment où leur gestionnaire, l’agent du FBI Dylan Rhodes (Mark Ruffalo), leur attribue finalement une nouvelle mission, exposant l’homme d'affaires corrompu Owen Case (Ben Lamb), dont le nouveau logiciel vole secrètement des données sur ses utilisateurs pour le bénéfice de la société Octa. Lula est ajoutée à l'équipe pour remplacer l'ancien membre Henley Reeves (Isla Fisher), qui a quitté les Cavaliers.
Danny Ocean convoque ses complices à Las Vegas : leur ami et mentor Reuben Tishkoff a été victime d'un infarctus du myocarde. La raison ? Son association avec Willy Bank, magnat des casinos réputé sans scrupule et sans pitié. Bank a doublé Tishkoff et l'a laissé pour mort. Les « Ocean's Eleven » décident d'infliger une sévère correction à leur nouvel ennemi. Tous les moyens seront bons : truquer les dés, la roulette, pirater les machines à sous, les mélangeurs de cartes, ruiner le séjour de l'homme chargé d'évaluer l'hôtel pour Royal Review, provoquer un tremblement de terre, et même faire alliance avec leur pire ennemi, Terry Benedict.