Obsada Tom Cruise jako Ethan Hunt, dowódca zespołu operacyjnego Impossible Mission Force, Ving Rhames jako Luther Stickell, technik komputerowy IMF, członek zespołu Hunta i jego najbliższy przyjaciel, Simon Pegg jako Benji Dunn, techniczny agent terenowy IMF i członek zespołu Hunta, Hayley Atwell jako Grace, złodziejka, która została nową agentką IMF, Esai Morales jako Gabriel, bezwzględny wróg Hunta, Pom Klementieff jako Paris, francuska zabójczyni, która pracowała dla Gabriela, Henry Czerny jako Eugene Kittridge, dyrektor CIA i były dyrektor IMF, Shea Whigham jako Jasper Briggs / Jim Phelps Jr, agent wywiadu amerykańskiego, którego zadaniem jest tropienie zespołu Hunta. Angela Bassett jako Erika Sloane, prezydent Stanów Zjednoczonych, była dyrektor CIA, Greg Tarzan Davis jako Theo Degas, podwładny Briggsa, który dołącza do zespołu Hunta, Rolf Saxon jako William Donloe, agent CIA, który po wydarzeniach z pierwszego filmu został przeniesiony na Alaskę.
Ponadto, Mark Gatiss i Charles Parnell powracają jako szefowie NSA i NRO z poprzedniej części, a do obsady należą też Janet McTeer, Hannah Waddingham, Lucy Tulugarjuk i Katy O'Brian.