在尼比魯星球探查期間，企業號艦長柯克（克里斯·派恩Chris Pine 飾）為營救史波克（扎克瑞·昆圖 Zachary Quinto 飾）采取了膽大妄為的舉動，幾乎危及全艦隊員的生命，他也為此付出代價。不久，柯克官復原職，而倫敦發生一起死亡超過四十人的恐怖襲擊事件。該事件的始作俑者約翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 飾）正來自聯盟內部。此后他駕駛飛機襲擊了高層會議，柯克最為敬重的派克將軍不幸遇難。為了阻止哈里森的外逃陰謀，柯克重新率領企業號啟程追擊。危機重重的旅途，他和艦員、朋友之間的信任也受到巨大考驗。 當他們最終找到哈里森，才終于知曉他的真實身份，以及倫敦襲擊事件背后的陰謀和黑幕……
