故事發生在的二十三世紀，人類的科技發展已經到達了可以星際旅行的地步。　　2230年出生于瓦肯星的男孩史波克（扎克瑞·昆圖ZacharyQuinto飾），因為母親阿曼達·格雷森（薇諾娜·賴德WinonaRyder飾）是人類，經常遭到同僚的嘲笑和欺負。父親薩瑞克（本·克勞斯BenCross飾）是瓦肯星的一名外交官，史波克從小就不斷地在嚴肅的瓦肯邏輯教育和他的人類情感之間掙扎。長大后的史波克遇到了同樣懷著遠大志向的柯克（克里斯·派恩ChrisPine飾），兩人雖矛盾不斷但通過種種任務考驗逐漸開始互相理解。　　企業號的老艦長是克里斯托弗·派克（布魯斯·格林伍德BruceGreenwood飾），艦員則包括醫療官“老骨頭”麥考伊（卡爾·厄本KarlUrban飾）、總工程師史考特（西蒙·佩吉SimonPegg飾）、通訊官烏瑚拉（佐伊·桑塔納ZoeSaldana飾）、舵手蘇魯（約翰·周JohnCho飾），以及17歲的領航員——天才少年契柯夫（安東·尤金AntonYelchin飾）。而來自未來的老年史波克（倫納德·尼莫伊LeonardNimoy飾）因穿越時空，告訴了柯克未來羅慕倫帝國的殘余勢力尼諾（艾瑞克·巴納EricBana飾）也已經回到現在，并率領大隊人馬進行復仇，尼諾摧毀了史波克的家鄉瓦肯星，下一個目標便是地球……