一艘巨大的外星無人探測器向地球航來,它不斷地發(fā)出奇特的電波信號:功率強大的信號煮沸了海水,干擾了附近的星艦并造成了廣泛的破壞。此時,詹姆斯·柯克中將與他的船員們在完成了讓斯波克上校復活的任務后,駕駛著從克林貢人那搶來的猛禽艦(被改名為“賞金號”)從瓦肯星返航,盡管他們已經(jīng)知道了將面臨軍事法庭的指控:他們被指控盜竊了聯(lián)邦星艦進取號,并對她的毀壞負有責任。在此關頭,尚在恢復中的斯波克發(fā)現(xiàn)這艘外星探測器正嘗試與地球上的座頭鯨建立聯(lián)系;但不幸的是,早在3個世紀前座頭鯨就因過度的捕獵而滅絕了。 柯克命令“賞金號”進入引力彈射狀態(tài),利用太陽的萬有引力而穿越時空來到20世紀后期。星艦于1986年抵達了美國加利福尼亞州的舊金山市,船員們將星艦藏在金門公園的一處草坪上。此后,他們開始尋找能與外星探測器溝通的鯨魚、能將鯨魚裝在星艦上的容器,以及能讓猛禽艦恢復能源供應的物質——在星艦穿越時空的旅途中能源幾乎被耗盡。柯克與斯波克最終獲得了一位鯨類專家吉莉安·泰勒博士的協(xié)助,她在索薩利托市鯨魚協(xié)會照料兩頭座頭鯨?! ≡诮?jīng)歷了許多的困難后——包括讓泰勒相信他們的確來自未來——進取號的船員們成功地營救了兩頭座頭鯨,并將它們帶到未來,及時地拯救了地球。然后船員們被帶到了聯(lián)邦委員會的面前,接受眾多的指控。沒有被作為被告的斯波克也與其他船員們站在了一起。最后,鑒于他們新近的英勇表現(xiàn),除了對柯克中將的控告外,針對其余被告的所有控告都被撤銷??驴艘宰鳛橐幻霞壾姽賲s違背命令的罪行被判有罪,并象征性地被降職為上校以示懲戒;但作為對他英勇行為的表彰,他被任命為聯(lián)邦星艦進取號-A的艦長。與進取號船員一同來到23世紀的泰勒博士,決定加入星際艦隊并成為一名科學官。 作為情節(jié)框架的支線劇情,展現(xiàn)了斯波克逐漸地恢復了他的記憶、他此前獲得并接受的人類傳統(tǒng),以及他對自己情感的承認。在影片開始時,他不明白母親詢問他的“感覺”有何意義;但到最后,他已能足夠意識到“感覺”對人類的重要性,并托父親告訴母親,他“感覺良好”。