Aux confins de la galaxie, George Kirk, devenu capitaine de l'USS Kelvin, se sacrifie pour sauver son équipage et son fils qui vient de naître, quand son vaisseau est attaqué par Nero, un Romulien. Vingt ans plus tard, James T. Kirk est un cadet de Starfleet prometteur mais au tempérament imprévisible. Il fait la connaissance du médecin Leonard McCoy et attend de décrocher un poste d'officier. Mais, pour avoir triché à un examen, Kirk est mis à pied. C'est alors que la planète Vulcain appelle la flotte à l'aide. Défiant les ordres, Kirk, aidé par McCoy, embarque à bord de l'USS Enterprise, dont le second est Spock, à l'origine de la sanction de Kirk.