En el siglo XXIII, una estación de vigilancia de la Flota Estelar, Epsilon Nueve, detecta una entidad alienígena, oculta en una enorme nube de energía, que se desplaza por el espacio hacia la Tierra. La nube destruye fácilmente tres naves de guerra klingon y a Epsilon Nueve en su trayectoria. En la Tierra, la nave Enterprise está siendo sometida a un importante reacondicionamiento; su antiguo oficial al mando, James T. Kirk, ha sido ascendido a Almirante. La Comandancia de la Flota Estelar asigna al Enterprise la misión de interceptar a la entidad nubosa, ya que la nave es la única dentro de su alcance, lo que requiere que sus nuevos sistemas sean probados en tránsito.

Citando su experiencia, Kirk utiliza su autoridad para tomar el mando de la nave, enfadando al Capitán Willard Decker, que ha estado supervisando la remodelación como su nuevo oficial al mando. Las pruebas de los nuevos sistemas del Enterprise van mal; dos oficiales, entre ellos el oficial científico vulcano Sonak, mueren por el mal funcionamiento de un transportador, y unos motores mal calibrados casi destruyen la nave. La falta de familiaridad de Kirk con los nuevos sistemas de la nave aumenta la tensión entre él y Decker, que ha sido degradado temporalmente a comandante y primer oficial. El comandante Spock llega como oficial científico de reemplazo, explicando que mientras en su mundo natal se sometía a un ritual para purgarse de emociones, sintió una conciencia que cree que emana de la nube, lo que le impidió completar el ritual porque su mitad humana sentía una conexión emocional con ella.

El Enterprise intercepta la nube de energía y es atacado por una nave alienígena en su interior. Una sonda aparece en el puente, ataca a Spock y secuestra a la navegante, Ilia. Es sustituida por una réplica robótica, enviada por la entidad, que se hace llamar "V'Ger", para estudiar las "unidades de carbono" de la nave. Decker está angustiado por la pérdida de Ilia, con la que tenía una historia romántica, y se inquieta al intentar extraer información del doppelgänger, que tiene los recuerdos y sentimientos de Ilia enterrados en su interior. Spock realiza un paseo espacial no autorizado al interior de la nave e intenta una fusión mental telepática con ella. Al hacerlo, se entera de que toda la nave es V'Ger, una máquina viviente no biológica.

En el centro de la enorme nave, V'Ger se revela como Voyager 6, una sonda espacial terrestre del siglo XX que se creía perdida en un agujero negro. La sonda dañada fue encontrada por una raza alienígena de máquinas vivientes que interpretaron su programación como instrucciones para aprender todo lo que se puede aprender y devolver esa información a su creador. Las máquinas mejoraron la sonda para que cumpliera su misión, y en su viaje, la sonda acumuló tantos conocimientos que alcanzó la sensibilidad. Spock descubre que V'Ger carece de la capacidad de darse a sí misma un propósito distinto de su misión original; habiendo aprendido todo lo que podía en su viaje de vuelta a casa, encuentra que su existencia carece de sentido. Antes de transmitir toda su información, V'Ger insiste en que el "Creador" venga en persona para terminar la secuencia. Todos se dan cuenta de que los humanos son el Creador. Decker se ofrece a V'Ger; se fusiona con la sonda Ilia y con V'Ger, creando una nueva forma de vida que desaparece en el espacio. Con la Tierra salvada, Kirk dirige el Enterprise al espacio para futuras misiones.