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Nel 2233, la nave stellare della Federazione USS Kelvin sta indagando su una "tempesta di fulmini" nello spazio. Una nave romulana, Narada, emerge dalla tempesta e attacca la Kelvin. Il primo ufficiale della Narada, Ayel, chiede al capitano della Kelvin, Robau, di salire a bordo per negoziare una tregua. Robau viene interrogato sulla data stellare corrente e su un "Ambasciatore Spock" che non riconosce. Il comandante della Narada, Nero, lo uccide e riprende ad attaccare la Kelvin. George Kirk, primo ufficiale della Kelvin, ordina al personale della nave, compresa sua moglie Winona, incinta, di abbandonare la nave mentre lui pilota la Kelvin in rotta di collisione con Narada. Kirk sacrifica la sua vita per garantire la sopravvivenza di Winona, che dà alla luce James Tiberius Kirk.

Diciassette anni dopo, sul pianeta Vulcano, un giovane Spock viene accettato per unirsi all'Accademia delle Scienze di Vulcano. Rendendosi conto che l'Accademia considera sua madre umana, Amanda, come uno "svantaggio", si unisce invece alla Flotta Stellare. Sulla Terra, Kirk diventa un giovane adulto spericolato ma intelligente. In seguito a una rissa in un bar con i cadetti della Flotta Stellare che accompagnano Nyota Uhura, Kirk incontra il Capitano Christopher Pike, che lo incoraggia ad arruolarsi nell'Accademia della Flotta Stellare, dove Kirk incontra e fa amicizia con il medico Leonard "Bones" McCoy. Tre anni dopo, il Comandante Spock accusa Kirk di aver imbrogliato durante la simulazione della Kobayashi Maru. Kirk sostiene che l'imbroglio era accettabile perché la simulazione era stata progettata per essere imbattibile. L'udienza disciplinare viene interrotta da un segnale di soccorso proveniente da Vulcano. Con la flotta primaria fuori portata, i cadetti vengono mobilitati e McCoy e Kirk salgono a bordo della nave di Pike, l'Enterprise.

Rendendosi conto che la "tempesta di fulmini" osservata vicino a Vulcano è simile a quella che si è verificata quando lui è nato, Kirk infrange il protocollo per convincere Pike che il segnale di soccorso è una trappola. Quando l'Enterprise arriva, trova la flotta distrutta e Narada che sta perforando il nucleo di Vulcano. Narada attacca l'Enterprise e Pike si arrende, delegando il comando della nave a Spock e promuovendo Kirk a primo ufficiale. Kirk, Hikaru Sulu e l'ingegnere capo Olson effettuano un salto spaziale sulla piattaforma di perforazione. Mentre Olson viene ucciso durante il salto, Kirk e Sulu riescono a raggiungere e disattivare la trivella, ma non riescono a impedire a Nero di lanciare la "materia rossa" nel nucleo di Vulcano, formando un buco nero artificiale che distrugge Vulcano. L'Enterprise riesce a salvare il padre di Spock, Sarek, e l'alto consiglio prima della distruzione del pianeta, ma non sua madre Amanda, che muore prima che il teletrasporto possa agganciarla correttamente. Mentre Narada si dirige verso la Terra, Nero tortura Pike per avere accesso ai codici di difesa della Terra.

Durante l'inseguimento, Spock mette Kirk ai margini su Delta Vega dopo un tentativo di ammutinamento. Sul pianeta, Kirk incontra uno Spock più vecchio (della linea temporale originale), che gli spiega che lui e Nero provengono dal 2387. Nel futuro, Romulus era minacciato da una supernova che Spock tentò di fermare con un buco nero artificiale fatto di "materia rossa". Tuttavia, il suo piano fallì e la famiglia di Nero perì insieme a Romulus, mentre sia la Narada che la nave di Spock furono catturate dal buco nero e spedite indietro nel tempo. Spock scoprì subito che erano stati mandati indietro di 25 anni, durante i quali Nero aveva attaccato la Kelvin, cambiando così la storia e creando un universo parallelo. Dopo l'arrivo di Spock, Nero lo bloccò su Delta Vega per assistere alla distruzione di Vulcano come vendetta. Raggiunto un avamposto della Flotta Stellare su Delta Vega, Kirk e l'anziano Spock incontrano Montgomery "Scotty" Scott, che li aiuta ideando un sistema di teletrasporto trans-warp che permette a lui e a Kirk di teletrasportarsi sull'Enterprise mentre questa viaggia a velocità di curvatura.

Seguendo il consiglio dell'anziano Spock, Kirk provoca il giovane Spock e lo attacca, costringendo Spock a riconoscersi emotivamente compromesso e a cedere il comando a Kirk. Dopo aver parlato con Sarek, Spock decide di aiutare Kirk. Mentre l'Enterprise si nasconde tra le nubi di gas di Titano, Kirk e Spock si teletrasportano a bordo di Narada. Kirk combatte con Nero e Ayel, uccidendo quest'ultimo e salvando Pike, mentre Spock usa la nave dell'anziano Spock per distruggere la trivella. Spock conduce Narada lontano dalla Terra e fa scontrare la sua nave con quella di Nero. L'Enterprise trasporta a bordo Kirk, Pike e Spock. La nave di Spock e Narada si scontrano, innescando la "materia rossa". Kirk offre a Nero di aiutarlo a fuggire, ma Nero rifiuta, spingendo Kirk a dare l'ordine di sparare, condannando Narada a essere consumata in un buco nero a cui l'Enterprise riesce a malapena a sfuggire.

Kirk viene promosso capitano e gli viene affidato il comando dell'Enterprise, mentre Pike viene promosso contrammiraglio. Spock incontra il suo io più anziano, che lo convince a continuare a servire la Flotta Stellare, incoraggiandolo a fare, per una volta, ciò che sente giusto invece di ciò che è logico. Spock rimane nella Flotta Stellare, diventando primo ufficiale sotto il comando di Kirk. L'Enterprise entra in curvatura mentre l'anziano Spock pronuncia il monologo "dove nessuno è mai andato prima".