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……