一艘巨大的外星無人探測器向地球航來，它不斷地發(fā)出奇特的電波信號：功率強大的信號煮沸了海水，干擾了附近的星艦并造成了廣泛的破壞。此時，詹姆斯·柯克中將與他的船員們在完成了讓斯波克上校復活的任務后，駕駛著從克林貢人那搶來的猛禽艦（被改名為“賞金號”）從瓦肯星返航，盡管他們已經(jīng)知道了將面臨軍事法庭的指控：他們被指控盜竊了聯(lián)邦星艦進取號，并對她的毀壞負有責任。在此關(guān)頭，尚在恢復中的斯波克發(fā)現(xiàn)這艘外星探測器正嘗試與地球上的座頭鯨建立聯(lián)系；但不幸的是，早在3個世紀前座頭鯨就因過度的捕獵而滅絕了。
　　柯克命令“賞金號”進入引力彈射狀態(tài)，利用太陽的萬有引力而穿越時空來到20世紀后期。星艦于1986年抵達了美國加利福尼亞州的舊金山市，船員們將星艦藏在金門公園的一處草坪上。此后，他們開始尋找能與外星探測器溝通的鯨魚、能將鯨魚裝在星艦上的容器，以及能讓猛禽艦恢復能源供應的物質(zhì)——在星艦穿越時空的旅途中能源幾乎被耗盡。柯克與斯波克最終獲得了一位鯨類專家吉莉安·泰勒博士的協(xié)助，她在索薩利托市鯨魚協(xié)會照料兩頭座頭鯨。
　　在經(jīng)歷了許多的困難后——包括讓泰勒相信他們的確來自未來——進取號的船員們成功地營救了兩頭座頭鯨，并將它們帶到未來，及時地拯救了地球。然后船員們被帶到了聯(lián)邦委員會的面前，接受眾多的指控。沒有被作為被告的斯波克也與其他船員們站在了一起。最后，鑒于他們新近的英勇表現(xiàn)，除了對柯克中將的控告外，針對其余被告的所有控告都被撤銷。柯克以作為一名上級軍官卻違背命令的罪行被判有罪，并象征性地被降職為上校以示懲戒；但作為對他英勇行為的表彰，他被任命為聯(lián)邦星艦進取號-A的艦長。與進取號船員一同來到23世紀的泰勒博士，決定加入星際艦隊并成為一名科學官。
　　作為情節(jié)框架的支線劇情，展現(xiàn)了斯波克逐漸地恢復了他的記憶、他此前獲得并接受的人類傳統(tǒng)，以及他對自己情感的承認。在影片開始時，他不明白母親詢問他的“感覺”有何意義；但到最后，他已能足夠意識到“感覺”對人類的重要性，并托父親告訴母親，他“感覺良好”。