El Nerón Romulano (Eric Bana) se está vengando de la destrucción de su planeta natal Rómulo, por lo que culpa al embajador Spock (Leonard Nimoy).

Se predijo que una estrella en las cercanías de Rómulo se convertiría en supernova. El embajador Spock prometió neutralizar la estrella con "materia roja", una sustancia que habría colapsado la estrella directamente en un agujero negro sin que pasara por la fase de supernova. El embajador Spock iba camino a Rómulo en una nave que contenía una esfera de materia roja cuando la estrella inesperadamente se convirtió en supernova. Nero y su tripulación estaban a bordo de una nave minera planetaria cerca de Rómulo y tanto la nave de Nero como la del embajador Spock fueron succionados por el agujero negro resultante y depositados en el pasado.

La nave de Nero emerge del agujero negro 120 años antes e inmediatamente ataca e incapacita al Kelvin de los EE.UU. El primer oficial George Kirk (Chris Hemsworth), al mando porque el capitán del Kelvin es asesinado por Nero, es capaz de evacuar a la tripulación del Kelvin, incluida su propia esposa (que acaba de dar a luz a su hijo James Kirk), antes de estrellar el Kelvin contra el barco de Nero. Jim Kirk (Chris Pine) crece y se convierte en un brillante delincuente al que el capitán Pike (Bruce Greenwood) le pide que se una a la Flota Estelar después de ver cómo Kirk es golpeado en un bar de Iowa por otros cadetes de la Flota Estelar por haber golpeado a Uhura (Zoe Saldana).

Tres años más tarde, en la Academia de la Flota Estelar, el cadete Kirk reprograma la simulación del Kobyashi Maru, que el Comandante Spock (Zachary Quinto) diseñó para probar las reacciones de los cadetes ante una muerte segura. Casi al mismo tiempo, la nave del embajador Spock emerge del agujero negro y es capturada por Nero. Kirk es puesto en suspensión académica, pero su amigo el Dr. "Huesos" McCoy (Karl Urban) le ayuda a subir a bordo de la U.S.S. Enterprise cuando ésta y varias otras naves estelares son solicitadas para responder a las llamadas de auxilio del planeta Vulcano.

Nero destruye todas las naves de la Flota Estelar que responden a la llamada de auxilio, excepto la Enterprise, y utiliza una gota de materia roja y su taladro minero planetario para destruir el planeta Vulcano (a pesar de un intento de Kirk, Sulu y un desafortunado experto en demolición con un traje rojo para sabotear el taladro). El Comandante Spock, al mando porque el Capitán Pike se rinde ante Nero en un intento de salvar la Enterprise, logra transportar a Sarek (Ben Cross) y a otros pocos ancianos vulcanos a bordo, pero el suelo cede ante su madre Amanda (Winona Ryder) antes de que pueda ser transportada y ella muere junto con seis mil millones de vulcanos. Cerca de 10.000 Vulcanos logran escapar en el transbordador.

Kirk discute con el comandante Spock para seguir a Nero, que ya ha puesto rumbo a la Tierra, pero el comandante Spock elige reagruparse con el resto de la Flota Estelar. El comandante Spock exilia a Kirk a Delta Vega por insubordinación, donde Kirk encuentra al embajador Spock, quien fue abandonado allí por Nero para ver impotente la destrucción de Vulcano y Montgomery Scott (Simon Pegg), quien es el cuidador de un pequeño puesto de avanzada.

El embajador Spock le proporciona a Scott la fórmula para el transporte "transwarp" (que Scott inventaría en el futuro), por la cual tanto Scott como Kirk pueden transportarse a bordo de la Enterprise mientras ésta regresa a la flota. El embajador Spock también le dice a Kirk que provoque al comandante Spock hasta el punto de que Kirk pueda relevarlo basándose en que el comandante Spock está "emocionalmente comprometido" por el trauma de perder a su madre y su planeta. El embajador Spock no se une a Kirk y Scott porque él mismo está, de hecho, emocionalmente comprometido.

El transporte transwarp funciona. Kirk provoca al comandante Spock en un arrebato emocional, el comandante Spock renuncia al mando y Kirk toma el asiento central. Por consejo de Chekov (Anton Yelchin), la Enterprise se coloca detrás de Saturno para no ser detectada por Nero y Kirk y el Comandante Spock se transportan a bordo de la nave de Nero (después de que el Comandante Spock reciba un largo beso de despedida de Uhura) mientras ataca la Tierra. Kirk rescata a Pike, el comandante Spock toma la nave del embajador Spock que contiene la materia roja restante, desactiva el taladro y atrae a la nave de Nero lejos de la Tierra.

El comandante Spock pone a la nave del embajador Spock en curso de colisión con la nave de Nero y los fáseres de la Enterprise abren camino para que la nave del embajador Spock se estrelle contra la nave de Nero. Scott transporta al comandante Spock, Pike y Kirk a bordo por el momento y la liberación de la materia roja crea un agujero negro que comienza a absorber la nave de Nero hasta su perdición. Kirk se ofrece a transportar a Nero y a su tripulación superviviente a bordo de la Enterprise, pero Nero se niega y Kirk acelera su muerte con un fáser y una descarga de torpedos fotónicos. El rápido trabajo de Scott evita que el Enterprise también sea absorbido por el agujero negro.

Kirk recibe el mando del Enterprise, que sustituye al almirante Pike, en silla de ruedas. El embajador Spock se reúne con el comandante Spock y lo alienta a permanecer en la Flota Estelar, a servir a bordo de la Enterprise y a forjar un nuevo destino con el recién nombrado capitán Kirk. La narración de Leonard Nimoy del monólogo "El espacio, la última frontera..." cierra la película mientras la Enterprise, tripulada por todos los personajes que conocemos y amamos, entra en velocidad warp.