Siasatan besar tanpa pemandu makhluk asing sedang menuju ke Bumi. Ia terus menghantar isyarat radio pelik: isyarat kuat mendidihkan air laut, mengganggu kapal luar angkasa berhampiran dan menyebabkan kerosakan yang meluas. Pada masa ini, Leftenan Jeneral James Kirk dan anak kapalnya, selepas menyelesaikan misi menghidupkan semula Kolonel Spock, memandu Raptor (dinamakan "Bounty") yang dicuri daripada Klingons dari Vulcan kembali, walaupun mereka sudah tahu bahawa mereka akan menghadapi mahkamah tentera: mereka dituduh mencuri USS Enterprise dan bertanggungjawab atas kemusnahannya. Pada persimpangan ini, Spock, yang masih pulih, mendapati bahawa siasatan makhluk asing itu cuba menjalin hubungan dengan ikan paus bungkuk di Bumi, malangnya, ikan paus bungkuk telah pupus kerana terlalu banyak memburu seawal tiga abad yang lalu. Kirk mengarahkan "Bounty" untuk memasuki keadaan lentingan graviti, menggunakan graviti matahari untuk bergerak melalui masa dan ruang hingga akhir abad ke-20. Kapal angkasa itu tiba di San Francisco, California, pada tahun 1986, dan kru menyembunyikan kapal angkasa itu di atas rumput di Taman Golden Gate. Selepas itu, mereka mula mencari ikan paus yang boleh berkomunikasi dengan probe makhluk asing, bekas yang boleh meletakkan ikan paus di kapal luar angkasa, dan bahan yang boleh memulihkan bekalan tenaga kapal Raptor - tenaga hampir habis semasa perjalanan kapal bintang itu melalui masa dan ruang. Semua. Kirk dan Spock akhirnya meminta bantuan Dr. Gillian Taylor, pakar cetacean yang menjaga dua ikan paus bungkuk di Persatuan Paus di Sausalito. Selepas melalui banyak kesukaran - termasuk meyakinkan Tyler bahawa mereka memang berasal dari masa depan - krew Enterprise berjaya menyelamatkan dua ikan paus bungkuk itu dan membawa mereka ke masa depan, tepat pada masanya untuk menyelamatkan planet ini. Anak kapal kemudian dibawa ke Majlis Persekutuan untuk menghadapi pelbagai pertuduhan. Spock, yang tidak dinamakan sebagai defendan, turut berdiri bersama kru yang lain. Akhirnya, memandangkan kepahlawanan mereka yang baru ditemui, semua pertuduhan terhadap defendan yang selebihnya telah digugurkan, kecuali pertuduhan terhadap Leftenan Jeneral Kirk. Kirk didapati bersalah kerana mengingkari arahan sebagai pegawai atasan dan secara simbolik diturunkan pangkat sebagai kapten sebagai hukuman tetapi sebagai pengiktirafan atas tindakan heroiknya, dia dilantik menjadi Kapten USS Enterprise-A. Dr. Taylor, yang datang ke abad ke-23 bersama krew Enterprise, memutuskan untuk menyertai Starfleet dan menjadi pegawai sains. Subplot yang berfungsi sebagai kerangka plot menunjukkan Spock beransur-ansur memperoleh semula ingatannya, tradisi manusia yang telah diperoleh dan diterimanya sebelum ini, dan pengiktirafannya terhadap emosinya. Pada permulaan filem, dia tidak memahami kepentingan ibunya bertanya kepadanya tentang "perasaan"nya tetapi pada akhirnya, dia cukup sedar tentang kepentingan "perasaan" kepada manusia dan meminta ayahnya memberitahunya; ibunya bahawa dia "berasa baik."