故事發生在的二十三世紀，人類的科技發展已經到達了可以星際旅行的地步。2230年出生于瓦肯星的男孩史波克（扎克瑞·昆圖 Zachary Quinto 飾），因為母親阿曼達·格雷森（薇諾娜·賴德 Winona Ryder 飾）是人類，經常遭到同僚的嘲笑和欺負。父親薩瑞克（本·克勞斯 Ben Cross 飾）是瓦肯星的一名外交官，史波克從小就不斷地在嚴肅的瓦肯邏輯教育和他的人類情感之間掙扎。長大后的史波克遇到了同樣懷著遠大志向的柯克（克里斯·派恩 Chris Pine 飾），兩人雖矛盾不斷但通過種種任務考驗逐漸開始互相理解。企業號的老艦長是克里斯托弗·派克（布魯斯·格林伍德 Bruce Greenwood 飾），艦員則包括醫療官“老骨頭”麥考伊（卡爾·厄本 Karl Urban 飾）、總工程師史考特（西蒙·佩吉 Simon Pegg 飾）、通訊官烏瑚拉（佐伊·桑塔納 Zoe Saldana 飾）、舵手蘇魯（約翰·周 John Cho 飾），以及17歲的領航員——天才少年契柯夫（安東·尤金 Anton Yelchin 飾）。