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 planetóide dentro do império klingon, que está à beira de uma guerra com a Federação.
