Em sua nova missão, a tripulação da nave Enterprise é enviada para um planeta primitivo, que está prestes a ser destruído devido à erupção de um vulcão. Spock (Zachary Quinto) é enviado para dentro do vulcão, onde deve deixar um dispositivo que irá congelar a lava incandescente. Entretanto, problemas inesperados fazem com que ele fique preso dentro do vulcão, sem ter como sair. Para salvá-lo, James T. Kirk (Chris Pine) ordena que a Enterprise saia de seu esconderijo no fundo do mar, o que faz com que a nave seja vista pelos seres primitivos que habitam o planeta.
Em sua nova missão, a tripulação da nave Enterprise é enviada para um planeta primitivo, que está prestes a ser destruído devido à erupção de um vulcão. Spock (Zachary Quinto) é enviado para dentro do vulcão, onde deve deixar um dispositivo que irá congelar a lava incandescente. Entretanto, problemas inesperados fazem com que ele fique preso dentro do vulcão, sem ter como sair. Para salvá-lo, James T. Kirk (Chris Pine) ordena que a Enterprise saia de seu esconderijo no fundo do mar, o que faz com que a nave seja vista pelos seres primitivos que habitam o planeta. Esta é uma grave violação das regras da Frota Estelar, o que faz com que Kirk perca o comando da nave para o capitão Pike (Bruce Greenwood). A situação muda por completo quando John Harrison (Benedict Cumberbatch), um renegado da Frota Estelar, coordena um ataque a uma biblioteca pública, que oculta uma importante base da organização.
Não demora muito para que Kirk seja reconduzido ao posto de capitão da Enterprise e enviado para capturar Harrison em um planetoide dentro do império klingon, que está à beira de uma guerra com a Federação. O líder da Federação volta com Kirk para o comando pois ele fala declaradamente em vingança. As ordens dadas pelo líder da Federação envolvem a detonação de diversas ogivas com tecnologia de ponta visando atacar John. Indo contra todos os seus parceiros de Enterprise, ele continua com o plano. Chegando ao planetoide e encontrando John, Kirk muda os planos e captura John. O problema é que no caminho a Enterprise quebra e ele é obrigado a pedir ajuda.
A ajuda chega através do líder da Federação, mas antes dele chegar é revelado que a federação, nos confins do Universo, descobriu uma nave contendo alguns habitantes da Terra que foram geneticamente modificados para se tornarem superiores. Um deles foi acordado (John) e revelou que eles forma condenados a ficarem eternamente congelados pois entendiam que somente a destruição de seres inferiores poderiam evitar uma guerra de proporções universais.
A Federação utiliza John (que fala seu verdadeiro nome, Khan) para desenvolver armamento. John só aceita pq o resto de seus amigos congelados encontra-se em poder da Federação, mas Khan bola um plano e foge na tentativa de salva-los.
Depois de uma batalha sensacional entre a nave do líder da Federação, Khan consegue toma-la para si, mas em um golpe sensacional, Kirk e Spock conseguem a avariar e ambas as naves caem em direção a terra. Kirk consegue evitar a destruição total da Enterprise entrando em mu módulo contagioso e acaba morrendo, mas neste hora a tripulação descobre que o sangue de Khan tem o poder da regeneração, o prendem e salvam Kirk.
