Production
Le film a été initialement annoncé sous le titre Mission: Impossible - Aries au début de la pré-production

Casting
Pour ce quatrième opus, Tom Cruise reprend le rôle d'Ethan Hunt, de même que Simon Pegg, qui interprète pour la seconde fois le personnage de Benji Dunn, tandis que d'autres acteurs font leurs débuts dans la saga cinématographique débutée en 1996 : Paula Patton, connue notamment grâce notamment aux films Déjà vu et Precious, est choisie pour le rôle de Jane Carter, au détriment d'autres actrices pressenties comme Kristin Kreuk et Lauren German.

Quant à Jeremy Renner, révélé par Démineurs et The Town, il est engagé pour le rôle de William Brandt, spécifiquement créé pour pallier un éventuel départ de Cruise, suite à une rencontre avec J.J. Abrams après que Chris Pine, Tom Hardy, Anthony Mackie, Christopher Egan ou encore Kevin Zegers ont été approchés.

À noter que Ving Rhames (Luther dans les trois précédents volets) et Michelle Monaghan (Julia dans le troisième volet) font une apparition.(? mouis mais alors vite fait hein!)

Tournage
Le tournage a débuté le 30 septembre 2010. Des photos de Tom Cruise habillé en officier russe ont alors filtré sur Internet. Il s'est déroulé à Dubaï, Prague et Vancouver. Le tournage de Mission impossible : Protocole Fantôme s'est achevé en mars 2011.