公元2200年，联邦星舰开尔文号受到来自不明飞船的袭击，舰长被杀死，大副临危授命保护自己的妻子和刚出生的孩子和全舰800多人安全撤离，但自己却和飞船一起炸毁。
时光飞逝，大副的孩子柯克长大了，但吊儿郎当在社会上闲混。一天，联邦星舰企业号（进取号）舰长派克找到柯克，用激将法劝说柯克来到星际舰队。三年后的一天，瓦肯星发来求救信号，柯克和在舰队结识的医生老骨头、通信员乌瑚拉还有教官来自瓦肯星的史波克一起上到企业号赶往瓦肯星。并在飞船上结识了飞行员苏鲁、领航员契科夫。
抵达瓦肯星后也受到了此前不明飞船得袭击，不明飞船实际上是来自罗慕伦帝国的尼罗，尼罗要求舰长派克来到飞船上谈判，派克为以防不测，认命柯克为新大副史波克为舰长，并派柯克和苏鲁前往瓦肯星摧毁干扰传送的装置。原来这个装置是为了将一种名为红物质（可变为黑洞）的东西注入地核来摧毁瓦肯星。柯克和苏鲁虽然摧毁了装置修复了传送，但红物质却已经注入地核，瓦肯星即将毁灭。史波克传送到瓦肯星打算救出自己的父母，但母亲却没能活下来。回到企业号，史波克打算将飞船飞回地球，但柯克认为这样是浪费时间，现在应该去追击尼罗就回舰长派克。史波克于是将柯克流放到一个星球上。
在星球上柯克结识了工程师斯科特，并遇到了来自平行时空老年的史波克。史波克告诉柯克，尼罗和他来自未来，在未来一个恒星将变成超新星，并将周围的罗慕伦星摧毁，史波克许诺将利用红物质来救罗慕伦人，但史波克还没赶来超新星变将罗慕伦星摧毁。史波克只能继续用红物质把超新星变为黑洞。可再要返航的时候，遭遇了罗慕伦遗民罗尼的袭击，黑洞吞噬了他们并穿越时空将送到了过去。罗尼逮住了史波克，认为是他害他失去了家园，所以他讲史波克流放到这个星球，亲眼目睹自己的星球瓦肯星的毁灭。罗尼下一个目标就是毁灭地球。
老史波克将柯克和斯科特传送回企业号上。柯克激怒史波克，成为新的企业号临时舰长。企业号追踪尼罗来到地球附近。柯克和史波克传送到尼罗的飞船，经过一番激战终于打败罗尼并救回舰长派克。
柯克接替派克成为企业号的新舰长、史波克为企业号的大副、老骨头为首席医疗官、通信官乌瑚拉、驾驶员苏鲁、领航员契科夫、总工程师斯科特。
最后，企业号重新启航。
