Il progetto nacque nell'agosto 2009 quando Josh Appelbaum e André Nemec furono ingaggiati per scrivere la sceneggiatura, nonostante Mission: Impossible III avesse incassato meno dei predecessori.

J.J. Abrams, regista del terzo capitolo, rinunciò alla regia per impegni con il film Super 8, restando comunque come produttore, mentre Brad Bird fu scelto come regista al suo debutto in un film live-action, battendo altri candidati come Ruben Fleischer e Edgar Wright.

A metà produzione Tom Cruise coinvolse lo sceneggiatore Christopher McQuarrie, con cui aveva lavorato in Valkyrie, per riscrivere e semplificare la trama del film; McQuarrie non ricevette il credito ufficiale di sceneggiatore, anche se il suo nome comparve in alcuni trailer.

Per il ruolo della giovane agente donna furono fatte provini ad attrici come Lauren German e Kristin Kreuk prima che la parte venisse assegnata a Paula Patton.

Nella scena in cui Ethan Hunt scala l'esterno del Burj Khalifa, Tom Cruise indossava guanti speciali ma era in realtà assicurato con cavi multipli, poi rimossi digitalmente in post-produzione da Industrial Light & Magic.

Seguendo l'esempio di Cruise, anche Paula Patton e Léa Seydoux scelsero di non usare controfigure per la loro scena di combattimento al Burj Khalifa.

Il parcheggio multipiano automatizzato di Mumbai in cui si svolge lo scontro tra Hunt e Hendricks fu in realtà ricostruito interamente a Vancouver e richiese sei mesi di costruzione.

Le scene di fuga dalla prigione di Mosca all'inizio del film furono girate in un vero ex carcere nei pressi di Praga.

Il regista Brad Bird inserì il suo marchio ricorrente 'A113', riferimento all'aula che frequentò al California Institute of the Arts, in due momenti del film: sull'anello di Hanaway durante un flashback e come nome in codice usato da Hunt quando chiede supporto.

La colonna sonora fu composta da Michael Giacchino, che riprese anche i temi originali di Lalo Schifrin dalla serie televisiva, integrandoli con sfumature jazz.

Il film fu il primo a utilizzare il nuovo logo Paramount Pictures con una fanfara inedita composta da Michael Giacchino, in occasione del centenario dello studio nel 2012.

Con un incasso mondiale di 694,7 milioni di dollari, divenne il film di maggior incasso del franchise e il film con Tom Cruise di maggior successo commerciale, record poi superato da Mission: Impossible - Fallout nel 2018.