电影开场于瓦肯女上尉莎维可指挥进取号的场景。飞船当时正在毗邻克林冈领空的中立区执行营救任务。进取号遭到了克林冈巡洋舰的袭击，情势岌岌可危。这一“袭击”其实只是“小林丸号”训练中的情景：该必败情景被设计于测试舰队军官的个人素质。詹姆斯·T·柯克中将视察了这次模拟测试。 　　为了给创世装置提供合适可用的星球，联邦星舰信任号(NCC-1864)在执行搜寻无生命星球的任务。创世装置是一种可以重塑物质分子结构的炸弹，从而创造出适合居住的星球环境。信望号军官帕维尔·柴科夫中校与舰长克拉克·特雷尔上校被传送到了候选行星鲸鱼座α-VI星（Ceti Alpha VI）的地面上，随即便被可汗·努尼恩·辛格俘获。20世纪末，可汗与他的基因强化人同伙们曾统治过地球，在被击败后，他们被装入一艘冬眠船。放逐到了太空之中。进取号在15年前发现了漂浮在太空中的冬眠船，苏醒过来的强化人们差点夺取了进取号的控制权；随后，柯克将可汗与他的同伙们放逐到了鲸鱼座α-V星上。原来，在可汗被放逐后，α-VI星发生了爆炸，破坏了α-V星的生态系统，亦改变了其公转的轨道。于是，柴科夫与特雷尔毫不知情地登上了被误认作α-VI星的α-V星。可汗将其妻子与同伴的死亡归罪于柯克，并计划向柯克寻仇。可汗在柴科夫和特雷尔的耳朵里植入了当地原产的心灵控制鳗虫，从而利用他们夺取了信任号的控制权。 　　在史波克的指挥下，进取号正在进行训练航行。与此同时，在进取号上视察的柯克收到了一段模糊不清的消息：消息来自边远的雷古拉I星的科学实验太空站，柯克的旧爱卡罗尔博士和他们的儿子大卫。都在那里研发创世装置。于是，进取号被下令前往调查，柯克也接管了星舰的指挥权。在途中，进取号因遭可汗指挥的信任号伏击而舰体受损，船上的许多实习生都因此而丧生。在与信任号的通讯中，可汗告诉柯克他已经知晓创世装置，并要求进取号将所有与该计划有关的资料发送给他。柯克拖延了时间，用指挥密码遥控关闭了信任号的护盾，并对信任号进行了猛烈的还击。受到严重损坏的信任号被迫撤退进行维修。 　　进取号抵达了雷古拉I星，发现太空站里的成员们都死掉了。而卡罗尔与大卫等幸存下来的科学家都躲进了小行星的地底深处。利用特雷尔和柴科夫当间谍，可汗顺利地偷到了创世装置。可汗命令特雷尔杀死柯克，然而，鳗虫的影响减弱了；特雷尔选择自杀，而柴科夫则战胜了寄生虫的控制。尽管可汗自以为他将柯克困在了雷古拉I星，而实际上柯克与史波克早已通过暗号通讯安排好了会合时间。随后，柯克指挥进取号航进了临近的穆塔拉（Mutara）星云。星云里的静电放电令星舰的护盾无法发挥作用，其视讯系统也会受到限制，令进取号与信任号的优势都不复存在。不顾其舵手的建议，可汗一意孤行地追进了星云。 　　在星云里，柯克利用可汗对立体空间战斗的不熟悉，对信任号造成了严重的损坏。遭到致命伤害的可汗启动了创世装置，企图炸掉包括进取号在内的所有星云物质。尽管柯克的船员们探测到了创世装置的活动，并启动脉冲引擎离开星云，但由于曲速引擎遭到破坏，进取号无法在信任号爆炸前逃出星云。于是，史波克来到了轮机室以修复曲速引擎。麦考伊医生试图阻止他进入充满高辐射的轮机舱中，但史波克令医生失去了意识。史波克及时恢复了进取号的曲速动力，令其得以逃生。在史波克死于辐射前，柯克赶到了轮机室见到他的最后一面。 　　创世装置的爆炸导致星云成为了一颗行星。进取号的船员们在鱼雷舱里为史波克举行了太空葬礼。史波克的棺材被发射到了新行星（创世星）上。进取号离开了行星，去救出之前遭放逐的信任号船员。在影片末尾，史波克的棺材软着陆于新行星上；随后，响起了史波克朗诵的《星际旅行》“前人所未至的领域”的独白，电影画面也随之移入到了遍布群星的深空之中。