En el espacio, la nave de la Federación USS Kelvin explora un extraño fenómeno astrofísico similar a una tormenta eléctrica, que para el asombro de sus navegantes, se transforma en un inmenso agujero negro y de éste emerge una inmensa y monstruosa nave negra. Sin previo aviso, los recién llegados disparan contra los desprevenidos exploradores imposibilitando que su nave se aleje, y les envían un mensaje para que su capitán se reúna con ellos para negociar un alto el fuego. Éste obedece pidiendo a sus camaradas que se apresuren a evacuar el Kelvin. Nada más entrar en la misteriosa nave, el hombre es interrogado y asesinado por un romulano llamado Nero, que ordena destruir cuanto queda del Kelvin. El primer oficial de esta nave, George Kirk, (Chris Hemsworth), ordena que todo el mundo se marche en las lanzaderas, pero al destruirse el piloto automático, él tiene que quedarse en la nave y utilizar sus armas para protegerles. En una de estas pequeñas naves parte su mujer que está dando a luz a su hijo. Ambos le bautizan James Tiberius Kirk antes de que su padre dirija el Kelvin contra la nave enemiga, haciéndola colisionar mientras su amada y su hijo huyen a salvo.
Más de veinte años después, se nos presenta paralelamente la vida de dos jóvenes que viven en mundos diferentes. Uno de ellos es Kirk, un joven con grandes capacidades, pero con gran torpeza para expresarlas, cínico y desorientado en la sociedad. Tras una violenta aventura en un bar, es encontrado por un admirador de su padre: el capitán Christopher Pike de la Flota Estelar, quien le recuerda el mérito de su progenitor y le invita a que se convierta en un oficial como él o mejor. Animado por sus palabras, Kirk decide ingresar en la Flota Estelar y acude al muelle del desierto de Iowa, donde se está construyendo la nave USS Enterprise. Allí entabla amistad con el médico Leonard McCoy, que le acompañará en su aprendizaje. El otro es Spock, un niño nacido de la unión de una humana y un vulcano. Los vulcanos son seres que sólo se guían por la razón y la lógica y rechazan las emociones, a las cuales Spock es muy vulnerable debido a su sangre humana. Los demás niños le rechazan por ser un ser incompleto, pero su padre le asegura tener plena capacidad para elegir cualquier camino. Sorprendentemente, al llegar a su adultez Spock ha tenido un éxito de aptitud muy superior a la media y ello le permite ingresar en las élites académicas de su planeta. Cuando está a punto de aceptar, descubre que los eruditos siguen menospreciando la condición humana que ya no señalan en él sino en su madre. Ofendido, les rechaza y decide marcharse para ingresar en la Flota Estelar.
Tres años después, Kirk y McCoy están finalizando su formación. Kirk mantiene su ojo puesto en Nyota Uhura, la estudiante de xenolingüística que conoció en el bar, pero ésta le rechaza repetidas veces. En un acto de espiarla, la oye decir que ha detectado un mensaje de una flota Klingon que fue destruida por una nave gigantesca, pero ninguno de los dos le da importancia. En un intento de impresionarla, Kirk decide afrontar por tercera vez la Prueba del Kobayashi Maru, una simulación virtual del rescate de una nave rodeada por un enjambre de naves de guerra Klingon. Ningún alumno ha superado esta prueba jamás, pero insospechadamente, Kirk lo logra con éxito. Spock, el programador de la prueba, descubre que Kirk la ha reprogramado sin permiso y le lleva a un juicio en donde ambos se conocen, y se revela ante todos que la prueba no está diseñada para superarse sino para estudiar las reacciones de los navegantes. En mitad de la reunión, la Flota Estelar recibe un mensaje de socorro desde el planeta Vulcano. Spock, Uhura y McCoy son inmediatamente asignados a la mejor nave, el USS Enterprise, bajo el mando del capitán Pike. Kirk, sin embargo, es suspendido por su falta y debe quedarse en la Tierra hasta nueva orden. A última hora, McCoy le lleva con él intoxicándolo e ingresándolo en el Enterprise con la excusa de desintoxicarlo.
Cuando el USS Enterpise zarpa hacia Vulcano, el joven navegador Pavel Chekov informa de un nuevo mensaje, según el cual se reporta una anomalía similar a una tormenta eléctrica cerca del lugar. Kirk, alertado, se encuentra con Uhura y ésta le confirma que la nave de la que se hablaba en el mensaje de los Klingon era romulana. Asociando ambas ideas, Kirk acude corriendo al puente de mando y les advierte a todos de que la inmensa nave romulana podría estar atacando Vulcano y esperándoles. Spock, a pesar de contrariarse con su presencia, la da la razón al oír sus explicaciones. Al llegar, efectivamente, hallan una gigantesca y terrorífica nave espacial negra navegando entre los restos flotantes de quienes han llegado antes. Dentro de la nave invasora, Nero reconoce el Enterprise (y misteriosamente, también a Spock) y opta por no destruirlo, pero amenaza con hacerlo sin vacilar si no envían al capitán Pike en una lanzadera para negociar. Éste acepta reunirse con él, y antes de hacerlo nombra a Spock capitán de la nave, y a Kirk su primer oficial. En ese preciso instante, la nave de Nero se halla sobre Vulcano dejando pender sobre él un perforador de energía que cuelga de una cadena. Éste crea una barrera que impide las comunicaciones y el transporte, por lo cual Kirk, el piloto Hikaru Sulu y el ingeniero Olsen son asignados para bajar sobre ella en paracaídas saltando desde la lanzadera del capitán Pike. Los tres se lanzan desde el espacio y el ingeniero Olsen perece en el rayo de energía, pero Kirk y Sulu logran matar a los vigilantes de la perforadora e inutilizarla. Justo antes de ser teletransportados al Enterprise contemplan cómo Nero deja caer sobre el plantea una extraña cápsula, que entra por el agujero perforado. En el Enterprise, Chekov descubre con horror que los invasores han creado un agujero negro dentro del planeta y que éste se está devorando a sí mismo. Durante los pocos minutos que le quedan a su mundo, Spock se teletransporta para caminar por él por última vez e intentar salvar a sus padres y tutores. Cuando Chekov está a punto de teletransportarles, una grieta se forma junto a ellos y la madre de Spock cae al abismo. El planeta Vulcano no tarda en desintegrarse y desaparecer por completo, pero el Enterprise logra alejarse a tiempo.
Momentos después, el capitán Pike se halla cautivo en la nave de Nero, la cual según este no es más que una nave de extracción de otra época. El romulano no parece satisfecho con el genocidio que acaba de cometer, y exige a Pike que le revela las frecuencias de los campos defensivos que envuelven la Tierra. Cuando su prisionero le reprocha, Nero se desahoga relatando que su planeta se destruyó mientras él trabajaba fuera, aunque la Federación y Spock "prometieron evitarlo". La catástrofe se cobró la vida de su mujer embarazada de su hijo, y él prometió vengarse desintegrando uno a uno cada mundo de la Federación. Pike, lógicamente, se niega en rotundo a prestarle ayuda. Sin embargo Nero parece contar con ello, y le corresponde insertándole por la boca una babosa de Centauro: un parásito que se aferra al cerebro y convierte a la víctima en alguien sumiso que responderá a sus preguntas.
Tras la tragedia, Kirk y Spock son quienes más poder tienen en el Enterprise. Kirk deduce que si Pike ha sido capturado es para interrogársele sobre los sistemas defensivos del planeta Tierra, luego es allí adonde deberían acudir. Spock, por otra parte, sabe que el Enterprise es incapaz de detener a la nave de Nero, y ordena que se reúnan con el resto de la Flota Estelar, que se halla en otro lugar. Kirk no es capaz de aceptar esto y se insubordina, pero se ve rápidamente reducido. Mccoy, Uhura, Chekov y Sulu contemplan con desconcierto cómo Spock entonces ordena meter a Kirk en una cápsula y abandonársele en el helado mundo de Delta Vega, vecino del Vulcano. Kirk, al despertar, sale de la cápsula y se dirige a pie hacia un puesto cercano de la Flota Estelar, pero entre os glaciares es atacado por un enorme depredador. El joven intenta refugiarse en una cueva con el monstruo pisándole los talones, y cuando está a punto de morir devorado, una figura con una antorcha repele a la bestia salvándole la vida. El extraño resulta ser una amigable anciano vulcano que parece reconocerle, casi como si fueran amigos de hace años. Cuando Kirk expresa su desconicerto, el desconocido revela no ser otra persona que Spock.
Ambos personajes se sientan a explicar lo sucedido, y el anciano Spock revela que tanto él como Nero proceden del futuro: dentro de más de un siglo, una estrella hará explosión transformándose en una gran supernova que consumirá mundos enteros, y la Federación enviará a Spock a destruirla usando una tecnología que permite crear agujeros negros. Sin embargo, no logró hacerlo a tiempo para evitar que el planeta Rómulo fuera calcinado. Entonces apareció Nero en su nave, encolerizado, y persiguió la pequeña nave de Spock hasta que ambos fueron engullidos por el agujero negro recién creado. Nero emergió antes que Spock, concretamente cuando el USS Kelvin exploraba el lugar previamente al nacimiento de Kirk. Spock, por su parte, apareció 25 años después, y encontró a Nero esperándole. Tras robar su nave y su tecnología de agujero negros, el romulano perdonó su vida y le abandonó en el planeta Delta Vega, desde el cual podría compartir el horror de la pérdida de su mundo. Decididos a evitar que tal catástrofe se repita con la Tierra, Kirk y Spock acuden al puesto de la Flota Estelar que se halla a pocos kilómetros. Allí se encuentran con un hombre que parece llevar solo allí mucho tiempo. Spock le reconoce como Montgomery "Scotty" Scott, el hombre que en el futuro descubrirá cómo teletransportarse a una nave que viaje más rápido que la luz; de hecho, se halla aislado en ese recóndito lugar por un experimento fallido. Con la ayuda de Spock, Scotty descubre la fórmula correcta antes de tiempo, y los tres están a punto de irse cuando Spock anuncia que no va a acompañarles. Ante la sorpresa de Kirk, Spock le explica que para detener a Nero él y el joven Spock tendrán que trabajar mano a mano y con confianza, sin tenerle a él de intermediario. Para ello, Kirk tendrá que ganarse el puesto de capitán comprometiendo a Spock emocionalmente y obligándole a renunciar a su puesto. Al despedirse, Spock hace una referencia cariñosa al Kirk que él conoció, y aquel en el cual quizá se convierta algún día el que desaparece ante sus ojos.
Kirk y Scotty reaparecen en el Enterprise y son inmediatamente arrestados. El joven Spock que capitanea la nave se desconcierta al verles y trata de interrogarles, pero Kirk le asalta acusándole de no tener iniciativa apara hacer lo necesario. Spock trata de defender su razón frente a los golpes de humor de Kirk, pero cuando éste le acusa de no amar lo suficiente a su mundo y a su madre recién perdidos, Spock rompe a gritar y se le echa al cuello golpeandolo y tratando de matarlo ,pero es reprimido por su padre. Tras lograr calmarse, el desconsolado medio vulcano sale del puente de mando rechazando todo consuelo. Entonces, Kirk se autoproclama capitán de la nave, de acuerdo a cuando Pike le nombró primer oficial, y Scotty es asignado como nuevo ingeniero. Se da la orden general de perseguir a Nero y hacer lo posible para detenerle. Spock, que se halla a solas, es encontrado por su padre y éste le oye confesar que aún guarda sus debilidades de la niñez. Sin embargo, cuando su padre le dice que no se casó con su madre por otra cosa que amor, recobra el ánimo y se reúne con la tripulación.
Los siete juntos, trazan un plan: Chekov y Sulu situarán el Enterprise bajo los anillos de Saturno para que Nero no lo detecte, y desde allí, Kirk y Spock serán teletransportados a la nave romulana gracias al descubrimiento de Scotty. Su misión consiste en sabotear la operación del enemigo, rescatar al capitán Pike y robar la tecnología de los agujeros negros. El primer paso del plan tiene éxito, y Kirk y Spock aparecen en las entrañas de la inmensa nave, donde mantienen un tiroteo con la tripulación. Al llegar al hangar, encuentran la nave del anciano Spock y dentro la tecnología de los agujeros negros; este vehículo reconoce la joven encarnación de su piloto original, la única persona que podrá pilotarla. Entonces los dos jóvenes se separan: Kirk acude en busca del capitán Pike, y Spock se marcha en la nave para destruir la perforadora. Cuando Kirk busca a Pike, Nero le encuentra por sorpresa y parece a punto de matarle cuando salta la alarma de que Spock ha destruido la perforadora que estaba abriendo un agujero en la superficie terrestre. Nero abandona a su víctima para acudir al puesto de mando y ordenar perseguir la pequeña nave, que se aleja a gran velocidad. Aprovechando esto, Kirk mata al primer oficial de Nero y logra llegar adonde tienen cautivo al capitán Pike. Lejos de la Tierra, Spock da media vuelta y se lanza directamente sobre la nave de Nero, que lanza una lluvia de misiles sobre ella. El Enterprise hace aparición protegiendo a la pequeña nave, y ésta atraviesa todas las barreras para colsionar contra ella. Justo antes de que eso ocurre, Kirk, Spock y Pike son transportados sanos y salvos de vuelta al Enterprise. La nave de Nero se parte en dos cuando un agujero negro se forma dentro de ella, y el romulano, frustrado, se niega a aceptar que sus vencedores les perdonen la vida transportándolos. Ante la negativa, Kirk ordena abrir fuego y el Enterprise dispara todas sus armas contra el enemigo, cuyos restos son sepultados en el abismo, eliminando la amenaza para siempre.
De vuelta en la Tierra, los dos Spocks se encuentran y el joven se sorprende de que el anciano no quisiera acompañar a Kirk en la misión. Éste le revela que no hacía la menor falta, pues él no tenía capacidad para ayudarles, pero sabía de qué eran capaces si confiaban el uno en el otro, agregando que no quería privarles del inicio de una amistad "que les definirá de un modo que aún no pueden entender". Los dos medio-vulcanos acuerdan que el joven permanecerá en la Flota Estelar para ayudar a Kirk, y el anciano permenecerá junto a los supervivientes vulcanos para guiarles a un nuevo mundo que poblar. Tras esto, Kirk es condecorado por la Academia y es nombrado capitán del Enterprise, felicitado por un orgulloso capitán Pike. Toda la tripulación se presenta en la nave, y Spock solicita el puesto de primer oficial que Kirk le concede gustosamente. Con una despedida del anciano Spock, la intrépida tripulación se aventura allá adonde ningún hombre ha llegado anteriormente.
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