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冷战结束后，天控局面临被解散的危险，但是这个美国最大的特务机关，依旧担负着重要的使命。不过，近期天控局总部却遭受了突发性袭击，导致特工们都有被身份曝光的危险。其中也包括强壮如牛、身手不凡的23号特工（道恩•强森 Dwayne Johnson 饰）。总部经过研究发现，袭击事件是一个叫盖不达集团的，为了迎敌，总部对分析家麦克斯韦（史蒂夫•卡瑞尔 Steve Carell 饰）委以重任，后者终于等到了一展身手的机会。于是，他积极参与了对付盖不达的行动，不过之前的两次演习都被他搞砸了。唯一的收获是，他跟99号特工（安妮•海瑟薇 Anne Hathaway 饰）结成了搭档，后者是唯一不怕身份曝光的特工。他们在飞机上遇到了一个疑似的恐怖分子，但是当他们出手时，却意外陷入了对方的圈套。此后，这对欢喜冤家又接连遇到一系列令人啼笑皆非的困境……