En 2293, la nave estelar USS Excelsior, comandada por el capitán Hikaru Sulu, descubre que la luna klingon de Praxis ha sido destruida en un accidente minero. La pérdida de Praxis y la subsiguiente destrucción de la capa de ozono del planeta natal de los klingon sume al Imperio en la confusión. Los klingons ya no pueden permitirse una guerra con la Federación Unida de Planetas, por lo que buscan la paz. La Flota Estelar envía al USS Enterprise-A para reunirse con el canciller klingon Gorkon y escoltarlo a las negociaciones en la Tierra. El capitán James T. Kirk, cuyo hijo David fue asesinado por los klingons, se opone a la conciliación y resiente la misión.

El Enterprise y el crucero de batalla de Gorkon se reúnen y continúan hacia la Tierra, con las dos tripulaciones de mando compartiendo una tensa comida a bordo del Enterprise. Más tarde esa noche, el Enterprise parece disparar torpedos a la nave klingon, desactivando su gravedad artificial. Durante la confusión, dos hombres vestidos con trajes espaciales de la Flota Estelar suben a bordo de la nave klingon, matan a dos tripulantes klingon e hieren mortalmente a Gorkon antes de escapar. Kirk se rinde para evitar un conflicto armado y se transporta a bordo de la nave klingon con el doctor Leonard McCoy en un intento de salvar la vida de Gorkon. El canciller muere y el jefe de estado mayor de Gorkon, el general Chang, arresta y juzga a Kirk y McCoy por su asesinato. Ambos son declarados culpables y condenados a cadena perpetua en el planetoide helado Rura Penthe. La hija de Gorkon, Azetbur, se convierte en la nueva canciller y continúa las negociaciones diplomáticas; por motivos de seguridad, la conferencia se traslada y la nueva ubicación se mantiene en secreto. Aunque varios oficiales superiores de la Flota Estelar quieren rescatar a Kirk y McCoy, el Presidente de la Federación se niega a arriesgarse a una guerra a gran escala, aunque la Federación tenga muchas posibilidades de ganar. Azetbur también se niega a invadir el espacio de la Federación.

Kirk y McCoy llegan a las minas de Rura Penthe y se hacen amigos de una cambiaformas llamada Martia, que les ofrece una vía de escape; en realidad, se trata de una treta para que sus muertes concertadas parezcan accidentales. Una vez descubierta su traición, Martia se transforma en el doble de Kirk y lucha contra él, pero es asesinada por los guardias de la prisión para silenciar a cualquier testigo. Kirk y McCoy son transportados a bordo del Enterprise por el capitán Spock, que había asumido el mando y emprendido una investigación en ausencia de Kirk. Tras determinar que el Enterprise no disparó los torpedos y que los asesinos siguen a bordo, la tripulación inicia su búsqueda. Los dos asesinos son encontrados muertos, asesinados por otro cómplice desconocido. Como cebo para el tercer cómplice, Kirk y Spock anuncian a la nave que los asesinos siguen vivos y que serán interrogados. Cuando el culpable llega a la enfermería para acabar con ellos, Kirk y Spock descubren que el asesino es el protegido de Spock, Valeris. Para descubrir la identidad de los otros conspiradores, Spock inicia una fusión mental forzada, y se entera de que una cábala de oficiales de la Federación, klingon y romulanos conspiraron para sabotear las conversaciones de paz. Los torpedos que alcanzaron al crucero de Gorkon procedían de la nave de Chang, que tiene la capacidad única de disparar sus armas mientras está camuflada.

El Enterprise y el Excelsior corren hacia Khitomer, el lugar de las conversaciones de paz. La nave camuflada de Chang ataca y causa graves daños a ambas naves. A sugerencia de Uhura, Spock y McCoy modifican un torpedo para que apunte a las emisiones de escape de la nave de Chang. El impacto del torpedo revela la localización de Chang, y el Enterprise y el Excelsior destruyen su nave con una andanada de torpedos. Las tripulaciones de ambas naves se transportan a la conferencia y frustran un atentado contra el Presidente de la Federación.

La Comandancia de la Flota Estelar ordena que el Enterprise regrese a la Tierra para ser retirado del servicio. Kirk decide realizar un último crucero con su nave y anota en su diario que una nueva nave y tripulación continuarán su legado.