John McClane (Bruce Willis) viaja a Moscú, Rusia, para ver a su hijo Jack (Jai Courtney), que está siendo juzgado allí por asesinato. Justo cuando John llega al tribunal, éste es bombardeado por esbirros contratados por Viktor Chagarin, un funcionario ruso corrupto que quiere matar a Yuri Komarov, un preso político que tiene pruebas incriminatorias contra Chagarin. Jack había accedido a testificar contra Komarov, así que estaban en el tribunal al mismo tiempo. Él y Jack escapan juntos de los escombros y se une a John, a quien Jack no está contento de ver. El trío escapa de los secuaces de Chagarin, liderados por Alik, y se dirigen a un refugio de la CIA. John se entera entonces de que Jack es un agente de la CIA, y su aparición juntos en el juzgado fue parte de una operación encubierta. La CIA quiere el archivo que contiene las pruebas que tiene Komarov, y a cambio lo sacarán del país. Komarov está de acuerdo, pero no se irá a menos que su hija Irina pueda venir con él. Los esbirros encuentran el refugio y matan a todos los agentes de la CIA, pero Jack, John y Komarov escapan.

El archivo está escondido en una bóveda, y la llave de la bóveda está escondida en un hotel local. El trío llega al hotel, donde Irina los espera. Mientras Komarov consigue la llave, John sospecha de Irina, y tiene razón cuando Alik y los secuaces llegan. Irina había vendido a su padre a Chagarin, pero John y Jack son capaces de sobrevivir al tiroteo resultante y escapar del hotel. Jack se enteró antes de que la bóveda está en Chernobyl, y él y John conducen hasta allí en un coche robado lleno de armas de fuego. Para cuando llegan, Komarov, Irina, Alik y el resto de los secuaces ya están allí. Una vez allí, Alik se entera de que no hay ningún archivo, y que Komarov e Irina están trabajando juntos para robar el uranio enriquecido que está siendo retenido allí. Todo hasta este punto era una artimaña para conseguir el uranio y matar a Chagarin, que era el antiguo socio de Komarov y el que lo envió a prisión. Komarov entonces mata a Alik, y mientras estaba al teléfono con Chagarin, uno de los socios de Komarov lo mata.

Para entonces, John y Jack han matado a varios de los secuaces y se dirigen a la bóveda. Cuando ven el uranio, descubren rápidamente la verdad sobre Komarov e Irina. Jack entonces va tras Komarov mientras John persigue a Irina. Irina intenta escapar en un helicóptero, que tiene un camión lleno de uranio. Irina usa las armas del helicóptero para disparar a Jack, así que John saca el camión del helicóptero, lo que lo desequilibra. Jack atrapa a Komarov y lo lanza desde la azotea hacia los rotores del helicóptero, matándolo instantáneamente. John escapa del helicóptero y se reúne con Jack dentro del edificio con la bóveda. Una enfurecida Irina, sin municiones en sus cañones de helicóptero, trata de matarlos estrellando el helicóptero contra el edificio. El helicóptero explota, matando a Irina y destruyendo el uranio, pero John y Jack sobreviven saltando a la piscina del edificio. Al salir de la piscina, John y Jack reconcilian sus diferencias.

La película termina con el regreso de John y Jack a Nueva York, donde conocen a la hija de John y hermana de Jack, Lucy (Mary Elizabeth Winstead), y el trío vuelve a marcharse como una familia feliz.