人類が宇宙へ進出し始めたばかりの頃の地球。ジェームズ・T・カーク(クリス・パイン)は、宇宙船の艦長だった父親ゆずりの冒険心に溢れた青年。彼はふとしたきっかけから、建造されたばかりの最新型宇宙船エンタープライズ号の乗組員となり、初めての宇宙へ飛び出していく。そこで出会ったのはスポック(ザッカリー・クイント)、ウフーラ(ゾーイ・サルダナ)。彼らの任務は、人類を脅かす悪を阻止すること。生意気で怖いもの知らずのカークと、冷静で論理的なスポックは衝突を繰り返しながらも、初めて出会う数々の危機をクルーたちとともに切り抜けていく。