在尼比鲁星球探查期间，企业号舰长柯克（克里斯·派恩Chris Pine 饰）为营救史波克（扎克瑞·昆图 Zachary Quinto 饰）采取了胆大妄为的举动，几乎危及全舰队员的生命，他也为此付出代价。不久，柯克官复原职，而伦敦发生一起死亡超过四十人的恐怖袭击事件。该事件的始作俑者约翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 饰）正来自联盟内部。此后他驾驶飞机袭击了高层会议，柯克最为敬重的派克将军不幸遇难。为了阻止哈里森的外逃阴谋，柯克重新率领企业号启程追击。危机重重的旅途，他和舰员、朋友之间的信任也受到巨大考验。 当他们最终找到哈里森，才终于知晓他的真实身份，以及伦敦袭击事件背后的阴谋和黑幕……
凯特·布兰切特,朱迪·格雷尔,克里斯汀·韦格,劳伦斯·菲什伯恩,特罗伊安·艾夫瑞·贝利萨里奥,比利·克鲁德普,约翰内斯·豪克尔·约翰内森,詹姆斯·乌尔班尼亚克,凯特·伊斯顿,理查德·罗比查乌克斯,艾玛·尼尔森,李·哈林顿,理查德·巴洛,威廉·卡尼亚,克劳迪娅·多米特,Zoe Chao,Lana Young,Katelyn Statton,Zachary Davis Brown