時は23世紀。帝国の領域内をパトロールしていた3隻の強力なクリンゴン帝国戦艦が雲状のエイリアンに襲われ破壊された。その通信を受けたサンフランシスコのスター・フリート司令本部では、地球に向かっているエイリアン迎撃の命令を、最新最強のスター・シップ“エンタープライズ号”に下した。そのころ、元スター・フリート科学士のスポック(レナード・ニモイ)は、宇宙の彼方から送られてくる異様なテレパシーを受けて、何か落ちつかない自分を感じていた。地球人とバルカン星人の混血であるスポックは、感情的である地球人より、論理がすべてのバルカン星人になることを望み、感情を捨てる“コリナール”の修業を積んでいたのだ。エンタープライズ号の指揮官として呼ばれた元艦長のジェームズ・T・カーク少将(ウィリアム・シャトナー)は、乗組員に歓迎されるが、艦長の座を彼に渡すことになったデッカー(スティーブン・コリンズ)は、彼に対し憎しみをもっていた。そして、ナビゲーターとして優秀な腕をもち、元デッカーと特別な関係にあった美しいデルタ星人のアイリーア中尉(パーシス・カンバータ)、カークの親友で主任船医のマッコイ(デフォレスト・ケリー)らも乗艦し、いよいよ出艦した。