Desta vez, Kirk (Chris Pine), Spock (Zachary Quinto) e a tripulação da Enterprise encontram-se no terceiro ano da missão de exploração do espaço prevista para durar cinco anos. Eles recebem um pedido de socorro que acaba os ligando ao maléfico vilão Krall (Idris Elba), um insurgente anti-Frota Estelar interessado em um objeto de posse do líder da nave. A Enterprise é atacada, e eles acabam em um planeta desconhecido, onde o grupo acaba sendo dividido em duplas.