在一次对遥远星球的探查行动中，船长柯克（由克里斯·派恩扮演）为救出一名重要的同伴，做出了极其冒险的决定，险些危及整支舰队的安全，因而付出了沉重的代价。不久之后，他恢复了指挥权，但与此同时，伦敦发生了一起造成超过四十人死亡的恐怖袭击事件，击中了公众的心脏。幕后黑手是来自内部的阴谋者约翰·哈里森（由本尼迪克特·康伯巴奇扮演），他利用一架飞行器发动了攻击，还在一次高层会议中发动了突袭，导致备受尊敬的派克将军遇难。为了阻止哈里森的逃跑计划，柯克重整旗鼓，率领舰队再次启航，开始了一段充满危险和挑战的追击之旅。