ジェームズ・T・カークは、辺境宇宙域の惑星フィボナンの代理使節として、彼らと対立する惑星ティーナックスとの和平交渉に臨む。彼らの下からフィボナンが盗んだという遺物を返還しその平和利用を訴えるが、猜疑心の強いティーナックス人との交渉は決裂し襲撃される。緊急転送でU.S.S.エンタープライズ NCC-1701に戻ったカークは、遺物の破壊的利用を恐れ、船内のセキュリティボックスに厳重にしまい、ワープ航法でティーナックスを去った。

エンタープライズが5年間の任務に就いて３年の月日が流れようとしていた。カーク率いるエンタープライズのクルー達は、仲間としての絆を育みエンタープライズは我が家と呼べる存在となっていた。一方で、宇宙の広大さに圧倒されたカークは、船長としての自信を失いつつあった。また、父ジョージが命を落とした年齢である30歳の誕生日を目前に控えていたが、目標とし追い続けてきた存在を越えて先へ進む事への不安もつのっていた。そんな中、エンタープライズは物資補給のために宇宙基地ヨークタウンに停泊する。

そこでクルー達が思い思いに休暇を過ごす中、カークは船長の座を退くことも考え始める。同時に腹心のスポックもまた、もう一人の自分である老スポック大使の死去を聞き、バルカン復興の使命を引き継ぐために船を去るか決断を迫られていた。そんな中、ヨークタウンに1機の脱出ポッドが到着。そこにはカラーラという異星人が乗っており、乗っていた宇宙船が連邦の星図に登録されてない惑星、アルタミット星に墜落したと救援を求めてくる。

救出任務のため、エンタープライズはカラーラを乗せてアルタミットに向けて出撃するが、惑星上空に到着したところを正体不明の無数の小型機の襲撃を受ける。エンタープライズは短時間で大破して戦闘不能に追い込まれる。ポッドで艦内に侵入してきた指揮官の男クラールはエンタープライズに乗せられていたティーナックスの遺物の奪取を狙っていた。カークは遺物を乗組員のシル少尉に託し、総員退艦を命令。乗組員らは全員脱出するが、カーク、スポック、マッコイ、スコット、チェコフ、カラーラの6人を除いてクラール一味に捕縛され、エンタープライズはアルタミット星に墜落する。

単身でアルタミット星に着陸したスコットはそこでジェイラという星の住人に出会う。クラール一味のマナスに家族を殺されていたジェイラはかつてこの星に墜落した宇宙船を住みかにして一人で生きていた。その船は過去に調査任務で行方不明になっていた宇宙艦隊所属のU.S.SフランクリンNX326であった。星を脱出するため、ジェイラはスコットに船の修理を依頼する。カークとチェコフは墜落したエンタープライズの通信を復旧させて離散した仲間を集めようと試みるが、その最中カラーラが突如二人を攻撃する。彼女はエンタープライズをアルタミッドに誘き寄せるために送られたクラールの一味だった。カークとチェコフはカラーラを打倒して乗組員の探索を続け、スコットとジェイラに合流。U.S.Sフランクリンの修理を進め、復旧した転送装置で、墜落時に重傷を負ったスポックと彼を担いでいたマッコイを救出する。

一方、クラールは囚われたスールーやウフーラが密かに発信しようとした救難信号を利用してヨークタウンから艦隊を遠ざけ、シルから遺物を奪うと、それを自らが所持していた対になる遺物と組み合わせる。その正体は生命体を塵状に分解するアブロナスという兵器で、起動実験によってシルは殺害される。クラールは以前からアルタミット星より連邦のデータベースにアクセスして情報収集を続けており、エンタープライズをおびき寄せたのはアブロナスの部品である遺物を所持していたためだった。彼の目的はヨークタウンへアブロナスを用いた攻撃を行うことだった。

カークはそれを阻止するべくジェイラ、スポック、マッコイらと共にクラールの基地を襲撃。ジェイラはマナスを打倒し、カークは乗組員らを救出する。だがクラールは一足先にドローンの大部隊を引き連れてヨークタウンへ向かう。カークはU.S.Sフランクリンを復旧させて離陸し、追撃を敢行する。

クルーたちはドローンが周波数を用いた言語で通信しているのを解析し、それを逆手に取ってフランクリンに搭載されていたラジオから妨害電波を発信する。混乱に陥った大群は互いにぶつかり合って爆散し、巨大な炎の波を作った。クラールの乗った戦闘挺はヨークタウンの中核部で捕捉され、同時に船のアーカイブに残された映像からクラールの正体と目的も明らかになった。

クラールはかつてフランクリンの船長だった人間バルタザール・エディソンの成れの果ての姿だった。100年前アルタミッドに不時着し生き残ったエディソンと二人の乗組員は、自分たちを見捨てて平和と繁栄を謳歌する連邦を憎むようになった。そして、付近を航行する種族を捕らえては古代の装置で生命エネルギーを吸収して生き永らえ、復讐の機会を窺っていた。アブロナスを用いてヨークタウンを崩壊させたのを手始めに、銀河を戦乱の世に逆戻りさせ、そこから人類一強の支配体制を完成させること、ひいては多種族共栄という連邦の理念を葬り去るのことがその全容だった。

乗組員から吸収した命で人間に近い姿に戻ったエディソンは、給気塔からアブロナスを流して町の全域に行き渡らせようとする。カークはエディソンを追いつめ、無重力空間で格闘となる。戦いの末にエディソンは排気坑から宇宙に放り出され、アブロナスに飲み込まれていった。対するカークは寸でのところでスポックとマッコイに受け止められて助かった。

全てが終わった後、カークはヨークタウンの副総督の座を辞退し、スポックもまた、老スポックの思いを知り、仲間と共にある道を選ぶ。カークの誕生日を祝う仲間たちの目の前では、新たな航海に向けてエンタープライズの再建が進んでいた。
キャスト

※括弧内は日本語吹替[8]

ジェームズ・T・カーク - クリス・パイン（阪口周平）
エンタープライズ号の船長。終わりの見えない宇宙探査の中で自身の矮小さを痛感し、船長としての力量に疑問を感じ始めている。

スポック - ザカリー・クイント（喜山茂雄）

レナード・マッコイ - カール・アーバン（宮内敦士）

ニョータ・ウフーラ - ゾーイ・サルダナ（東條加那子）