故事发生在星际舰队的未来世界。舰队的旗舰企业号在一次外交任务中遭受了一场恐怖袭击，而凶手正是星际舰队的一名高级官员约翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇饰演）。哈里森逃脱后，企业号的舰长詹姆斯·T·柯克（克里斯·派恩饰演）决定带领他的船员展开追捕行动。
柯克得知哈里森躲藏在克林贡人的星球克林贡主星上。为了追踪和逮捕他，柯克命令企业号驶向该星球。然而，在接近克林贡主星的途中，柯克接到星际舰队指挥部的命令，要求他使用一种被称为“鲸鸣”的武器摧毁哈里森所在的建筑物，以免发生更大的危险。
柯克对此犹豫不决，因为他不愿意牺牲无辜的生命。在与舰队指挥部的争论中，柯克决定忽略命令，继续追捕哈里森。他与船员们潜入克林贡主星，与哈里森发生激烈的战斗。
逐渐揭开真相后，柯克发现哈里森实际上是一名叫做卡恩的前星际舰队军官，他被用作实验体，被赋予了超乎寻常的力量和智慧。卡恩原本是为了对抗外星种族的威胁而被创造出来，但他背叛了舰队，并试图摧毁它。
柯克最终与卡恩展开决战，企业号上的船员们面临生死考验。最终，柯克成功地战胜了卡恩，但企业号也遭受了严重的损坏。舰队的高级官员们决定原谅柯克的违抗命令，并将他重返舰队。柯克与他的船员们继续着他们的太空探险之旅。