在尼比鲁星球的勘探任务期间，企业号的舰长柯克（克里斯·派恩饰）为了拯救史波克（扎克瑞·昆图饰），做出了一个挑战极限的行动，几乎危及全舰队的生命。他为此付出了代价，失去了他的职位。不久之后，伦敦遭受了一起致命的恐怖袭击，导致四十多人丧生。而策划这起袭击的约翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇饰）被发现是来自联盟内部的人。他随后又发动了一次针对高层会议的飞机袭击，导致柯克最敬重的派克将军不幸遇难。为了阻止哈里森的逃亡计划，柯克重新获得船长职位，并率领企业号展开追捕。在危机四伏的旅途中，柯克和他的船员、朋友之间的信任也受到了巨大考验。