在尼比鲁星球探查期间，企业号舰长柯克（克里斯·派恩 饰）为营救史波克（扎克瑞·昆图 饰）采取了胆大妄为的举动，几乎危及全舰队员的生命，他也为此付出代价。不久，柯克官复原职，而伦敦发生一起死亡超过四十人的恐怖袭击事件。该事件的始作俑者约翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇 饰）正来自联盟内部。此后他驾驶飞机袭击了高层会议，柯克最为敬重的派克将军不幸遇难。为了阻止哈里森的外逃阴谋，柯克重新率领企业号启程追击。危机重重的旅途，他和舰员、朋友之间的信任也受到巨大考验。

进取号星舰遨游在太空，在人类和外星人中间传播好意，同时也在防范敌对星球有可能的攻击行为，因为有迹象表明，星际联盟的老对头罗木兰星球有可能发起新一轮的攻击。皮卡德船长和他的船员们也在小心翼翼的观察着事态的进展，时刻准备投入战斗...

柯克船长（克里斯·派恩 饰）带领企业号继续踏上宇宙探索的旅程，他向老骨头（卡尔·厄本 饰）讲述了自己对于船长身份的忧虑，而在他与最好的朋友史波克（扎克瑞·昆图 饰）互诉衷肠前，他们又接到了一个紧急救援的任务。而神秘敌人剋劳（伊德瑞斯·艾尔巴 饰）开始攻击企业号，而幸存的企业号成员也分散至一个行星上求生。

皮卡德舰长获知数据中尉在巴库星球被掳为人质后立刻率进取号前往营救。当他们来到巴库星球，整个星球上只居住了六百名巴库人，与世隔绝、摒弃科技、崇尚和平，过着纯朴的生活；数据被掳不像是巴库人的作风，想必另有隐情。

进取号正在宇宙空间做例行巡航时，舰长皮卡德接到密电，称博格人已联合其他星系的力量，准备向地球发起攻击。由于舰长皮卡德曾受敌方俘虏并同化，星际舰队对其不很信任，故没有派其出战。皮卡德不顾命令，仍然参与战斗，之后进取号跟随博格人的时间漩涡回到21世纪，以阻挡博格人试图改变人类的外星发展史达到征服地球的企图。

在另一时空，索伦博士正阴谋毁灭星球，攻击进取号。唯一能够帮助新舰长皮卡德来阻止索伦的，只有销声匿迹了78年的柯克船长。

一名神秘的疯狂幻想家赛波克占领了一个遥远的星球，劫持星际大使作人质，强迫进取号号宇宙飞船紧急出发，进入没有人做访过的未知宇宙去寻找传说中的上帝，但上帝到底是谁呢？正在基地修整的进取号接受了一项紧急任务，柯克船长一行奉命解救遭到叛徒控制的市民，叛军挟持了进取号到银河系中心去寻找根源。

星际联邦的大敌克林贡帝国因为连年争战，经济及生态环境破坏殆尽，一位克林贡领袖遂在进取号星舰的护送下前往地球谈和，中途却遭到阴谋份子暗杀，并且嫁祸进取号…

一艘巨大的外星无人探测器向地球航来，它不断地发出奇特的电波信号：功率强大的信号煮沸了海水，干扰了附近的星舰并造成了广泛的破坏。此时，詹姆斯·柯克中将与他的船员们在完成了让史波克上校复活的任务后，驾驶着从克林贡人那抢来的赏金号从瓦肯星返航，尽管他们已经知道了将面临军事法庭的指控：他们被指控盗窃了联邦星舰进取号，并对她的毁坏负有责任...

2285年，在与可汗的战斗中损坏的联邦星舰进取号，返回了地球的太空港以进行维修。柯克还在为史波克的死感到悲伤。麦考伊医生出现了种种异常的行为：如擅自闯入被封锁的史波克原来的舱房、胡言乱语等，最后他被送进了医院进行精神检查...