寇克等人作为嘉宾乘新企业号试航，途中收到救援任务……而在另一时空，索伦博士正阴谋毁灭星球，攻击企业号。唯一能够帮助新船长皮卡特来阻止索伦的，只有销声匿迹了78年的寇克船长。
2285年，在与可汗的战斗中损坏的联邦星舰进取号，返回了地球的太空港以进行维修。柯克还在为斯波克的死感到悲伤。麦科伊医生出现了种种异常的行为：如擅自闯入被封锁的斯波克原来的舱房、胡言乱语等，最后他被送进了医院进行精神检查。斯科提被另分派到了联邦星舰精进号。星际舰队指挥部 对新形成的创世星下达了禁入令。柯克被告知，进取号即将除役。
斯波克的父亲沙瑞克找到柯克并告诉他，斯波克的遗体必须返回瓦肯星，否则他的灵魂就不得安息。沙瑞克要求柯克必须回到创世星，寻回斯波克的遗棺并将它带回瓦肯星——而斯波克临死前与麦科伊进行了心灵融合，因此带有斯波克灵魂的麦科伊也必须前往瓦肯星。
可是，星际舰队拒绝让陈旧的进取号离开太空港。从医院出来后听闻消息的麦科伊，企图招募一艘飞船回到创世星。在与人争吵时他被逮捕，但这并没有影响到整个计划：在柯克、斯科特、苏鲁、乌乎拉和切科夫的帮.
一艘巨大的外星无人探测器向地球航来，它不断地发出奇特的电波信号：功率强大的信号煮沸了海水，干扰了附近的星舰并造成了广泛的破坏。此时，詹姆斯·柯克中将与他的船员们在完成了让斯波克上校复活的任务后，驾驶着从克林贡人那抢来的猛禽舰（被改名为“赏金号”）从瓦肯星返航，尽管他们已经知道了将面临军事法庭的指控：他们被指控盗窃了联邦星舰进取号，并对她的毁坏负有责任。在此关头，尚在恢复中的斯波克发现这艘外星探测器正尝试与地球上的座头鲸建立联系；但不幸的是，早在3个世纪前座头鲸就因过度的捕猎而灭绝了。
未来世界，秘密系统“白金数据”得到开发，日本全国人民的DNA数据被存储其中，进而借此构建了一个检举率100%、冤案率0%的理想社会。可即便如此尖端的系统，也被代号为“NF13”的连环杀人案所难住，凶手犯案累累，且至今下落不明，甚至连“白金数据”的开发者蓼科兄妹也惨遭杀害。此后不久，特殊解析研究所的天才科学家神乐龙平（二宫和也 饰）对蓼科早树（水原希子 饰）尸体上提取的嫌疑人基因进行解析，竟发现真凶的矛头指向自己。凭借同事白鸟理沙（杏 饰）的帮助，神乐连忙逃脱，而以刑警浅间玲司（丰川悦司 饰）为代表的搜查一课早已在这座城市内部下天罗地网。在此过程中，神乐自身的秘密逐渐付出水面，真相更是出乎所有人意料…… 本片根据著名推理小说作家东野圭吾的同名原作改编
