在尼比鲁星球探查期间,企业号舰长柯克(克里斯·派恩Chris Pine 饰)为营救史波克(扎克瑞·昆图 Zachary Quinto 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 Benedict Cumberbatch 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。 当他们最终找到哈里森,才终于知晓他的真实身份,以及伦敦袭击事件背后的阴谋和黑幕……