Bei der Erforschung fremder Welten ist die Crew der Enterprise auf einen Planeten gestoßen, der von einem Vulkan zerstört zu werden droht. Spock (Zachary Quinto) findet einen Weg, den Ausbruch des Vulkans zu verhindern, während Kirk (Chris Pine) mit Freund 'Pille' (Karl Urban) ein Ablenkungsmanöver startet. Doch als sich die Ereignisse überschlagen und Spock zu sterben droht, kann Kirk sein Crew-Mitglied nur mit einem waghalsigen Manöver retten. Bei diesem sieht die unterentwickelte Spezies des fremden Planeten aber die Enterprise – ein klarer Verstoß gegen die oberste Direktive der Föderation, die keine Einflussnahme auf die Entwicklung fremder Kulturen erlaubt. Spock wird daraufhin strafversetzt, Kirk wird abgesetzt und soll zurück an die Akademie. Nur die Fürsprache seines Förderers Admiral Pike (Bruce Greenword) verhindert dies und Kirk kann zumindest als dessen rechte Hand an Bord der Enterprise bleiben – und dort wird er auch gebraucht: Denn ein fürchterlicher Terroranschlag erschüttert London, bei dem ein Archiv der Sternenflotte in die Luft gejagt wird. Dahinter steckt John Harrison (Benedict Cumberbatch), ein ehemaliges Mitglied der Sternenflotte. Während sich die obersten Führer der Förderation zwecks Gegenmaßnahmen beraten, erkennt Kirk, dass sie damit dem Terroristen genau in die Karten spielen. Sein Versuch, noch Schlimmeres zu verhindern und den mysteriösen Terroristen zu schnappen, löst ein episches Strategiespiel um Leben und Tod aus, bei dem Freundschaften auseinandergerissen werden und Kirk Opfer aus der einzigen Familie bringen muss, die ihm noch bleibt: seine Crew.