Фильм начинается с напряжённой и драматичной сцены в далёком будущем, точнее, в 2233 году. Космический корабль Федерации под названием «Кельвин» замечает странное явление — что-то вроде молнии в космосе. Это само по себе уже необычно, потому что в космосе таких бурь не бывает. Капитан корабля приказывает приблизиться, чтобы разобраться, что происходит. И вдруг из этой «бури» появляется огромный враждебный корабль — ромуланский «Нарада».
Не успевают люди на «Кельвине» понять, что происходит, как «Нарада» начинает атаковать. Их оружие намного мощнее, и у «Кельвина» почти нет шансов. Ромуланцы требуют, чтобы капитан Робау прибыл к ним на переговоры. Он отправляется на чужой корабль, надеясь остановить бой. Там его допрашивает командир ромуланцев по имени Неро. Он задаёт странные вопросы — про текущую дату и некого посла Спока. Робау не понимает, о чём речь, потому что этих событий ещё не было. Тогда Неро без колебаний убивает его и продолжает уничтожать «Кельвин».
На борту остаётся первый помощник капитана — Джордж Кирк. Он понимает, что корабль обречён, и отдаёт приказ эвакуироваться. Люди садятся в спасательные капсулы, среди них и его жена Вайнона, которая вот-вот должна родить. Сам Джордж остаётся за штурвалом. Он направляет корабль прямо на «Нараду», чтобы отвлечь врага и дать шанс остальным спастись. Это самоубийственная миссия. В момент, когда «Кельвин» сталкивается с врагом и взрывается, Вайнона в спасательной капсуле рожает сына. Его называют Джеймс Тиберий Кирк.
Проходит двадцать два года. История переносится на планету Вулкан. Там показывают юного Спока. Он наполовину человек, наполовину вулканец, и из-за этого над ним издеваются другие дети. Его дразнят за человеческие эмоции. Спок старается держаться спокойно, как принято у вулканцев, но внутри ему тяжело.
Позже Спок поступает в Академию наук Вулкана. Это престижное место, но там ему намекают, что его человеческое происхождение — слабость. Его мать, землянка Аманда, считается «недостатком». Спок делает важный выбор: он отказывается от академии и решает пойти служить во флот Федерации, чтобы доказать свою ценность.
Тем временем на Земле взрослый Джеймс Кирк живёт без особой цели. Он дерзкий, любит рисковать, часто попадает в неприятности. В одной из сцен он ввязывается в драку в баре с курсантами флота. Там же он знакомится с девушкой по имени Ухура. После драки к нему подходит капитан Кристофер Пайк. Он знал отца Кирка и видит в Джеймсе потенциал. Пайк убеждает его поступить в Академию Звёздного флота.
Кирк соглашается и поступает. Там он знакомится с будущими товарищами, в том числе с доктором Леонардом Маккоем, которого все называют просто Бонс. Они быстро становятся друзьями.
Проходит три года обучения. Кирк уже известен как талантливый, но слишком самоуверенный курсант. В это время проводится важное испытание — симуляция «Кобаяси Мару». Это сценарий без победы, проверка характера. Спок, который теперь преподаватель, обвиняет Кирка в том, что тот схитрил и перепрограммировал симуляцию, чтобы выиграть. Кирк не отрицает, но говорит, что не принимает ситуации, где нет выхода. Он считает, что всегда должен быть шанс победить.
Разбирательство прерывается срочным сигналом бедствия с Вулкана. Основной флот слишком далеко, поэтому отправляют курсантов. Кирк и Маккой попадают на корабль «Энтерпрайз», которым командует Пайк.
Когда корабли приближаются к Вулкану, Кирк замечает, что странная «буря» в космосе похожа на ту, что была при его рождении. Он догадывается, что это ловушка. Пайк сначала сомневается, но всё же прислушивается.
Прибыв на место, они видят катастрофу: весь флот уничтожен, а «Нарада» снова здесь и бурит планету. Ромуланцы хотят уничтожить Вулкан. Они атакуют «Энтерпрайз», и Пайк вынужден сдаться. Перед этим он назначает Спока командующим корабля, а Кирка — первым помощником.
Чтобы остановить буровую установку, Кирк, Сулу и инженер Олсон совершают опасный прыжок с орбиты на платформу. Олсон погибает во время прыжка, но Кирк и Сулу добираются и выводят бур из строя. Однако они не успевают остановить главное — Неро запускает в ядро планеты «красную материю», которая создаёт чёрную дыру. Вулкан начинает разрушаться.
«Энтерпрайз» успевает спасти часть жителей, включая отца Спока — Сарека. Но мать Спока, Аманда, погибает — её не успевают телепортировать. Это тяжёлый удар для Спока.
Неро направляется к Земле. Он захватывает Пайка и пытает его, чтобы получить коды защиты планеты.
Кирк тем временем пытается убедить Спока действовать иначе, но тот действует строго по логике. В итоге Спок, посчитав Кирка угрозой, высаживает его на ледяной планете Дельта Вега.
Там Кирк сталкивается с опасными существами, но его спасает неожиданная фигура — пожилой Спок. Это тот самый Спок из будущего. Он объясняет, что происходит.
Оказывается, Неро и старший Спок прибыли из будущего, из 2387 года. Там звезда угрожала уничтожить Ромул. Спок пытался остановить её с помощью «красной материи», но не успел. Планета погибла, и семья Неро тоже. В отчаянии Неро преследовал Спока, и оба попали в чёрную дыру, которая отбросила их в прошлое. Неро оказался раньше и начал мстить, изменив ход истории. Так появилась новая временная линия.
Старший Спок оказался на Дельта Веге и был вынужден наблюдать гибель Вулкана.
Кирк и старший Спок добираются до научной станции, где встречают инженера Скотти. Он разрабатывает способ мгновенной телепортации на большие расстояния. С его помощью Кирк возвращается на «Энтерпрайз».
По совету старшего Спока Кирк провоцирует молодого Спока на эмоции. Тот выходит из себя, нападает на Кирка и тем самым подтверждает, что не может объективно командовать. Он передаёт командование Кирку.
После разговора с отцом Спок принимает решение помочь Кирку.
«Энтерпрайз» скрывается в газовых облаках спутника Титан. Кирк и Спок проникают на «Нараду». Кирк спасает Пайка и вступает в бой с Неро. В это время Спок уничтожает буровую установку.
Затем Спок направляет корабль с «красной материей» на «Нараду». Происходит столкновение, возникает чёрная дыра, которая затягивает корабль Неро. «Энтерпрайз» едва успевает уйти.
В конце Кирк получает звание капитана и становится командиром «Энтерпрайза». Пайк повышен до адмирала.
Молодой Спок встречается со своей будущей версией. Старший Спок советует ему не подавлять свои чувства полностью, а найти баланс.
Спок остаётся на корабле как первый помощник Кирка. Так формируется команда, с которой начнутся их дальнейшие приключения.
