No dia do nascimento de James Kirk, o seu pai morre numa última investida contra uma nave alienígena misteriosa. Por outro lado, Spock cresceu como uma criança vulcana inadaptada, rebelde. Vinte anos depois, Spock é um dos mais prestigiados oficiais-instrutores da frota estelar, enquanto Kirk é um rebelde problemático. Inspirado pelo capitão Christopher Pike, alista-se na frota estelar e acaba envolvido em problemas ao sabotar um exame. Mas, com a ajuda do médico Leonard McCoy, consegue integrar uma missão de emergência na USS Enterprise. Uma aventura está prestes a começar.

Quando a tripulação da Enterprise é chamada a casa, descobrem que uma ameaça terrível paira sobre a frota estelar, e sobre o planeta Terra. Com contas pessoais a ajustar, Kirk lidera uma caça a um só homem que é, por si só, uma arma de destruição em massa, em meio a um jogo de xadrez épico de vida ou morte: o amor será contestado, amizades serão rompidas e sacrifícios terão que ser feitos pela única família que Kirk ainda possui: a sua tripulação.

Quando uma entidade espacial destrutiva é avistada a aproximar-se da Terra, o Almirante James T. Kirk regressa à nova e transformada nave U.S.S. Enterprise para interceptar, examinar e, principalmente, deter a ameaça.