故事发生在的二十三世纪，人类的科技发展已经到达了可以星际旅行的地步。
2230年出生于瓦肯星的男孩史波克（扎克瑞·昆图 Zachary Quinto 饰），因为母亲阿曼达·格雷森（薇诺娜·赖德 Winona Ryder 饰）是人类，经常遭到同僚的嘲笑和欺负。父亲萨瑞克（本·克劳斯 Ben Cross 饰）是瓦肯星的一名外交官，史波克从小就不断地在严肃的瓦肯逻辑教育和他的人类情感之间挣扎。长大后的史波克遇到了同样怀着远大志向的柯克（克里斯·派恩 Chris Pine 饰），两人虽矛盾不断但通过种种任务考验逐渐开始互相理解。
企业号的老舰长是克里斯托弗·派克（布鲁斯·格林伍德 Bruce Greenwood 饰），舰员则包括医疗官“老骨头”麦考伊（卡尔·厄本 Karl Urban 饰）、总工程师史考特（西蒙·佩吉 Simon Pegg 饰）、通讯官乌瑚拉（佐伊·桑塔纳 Zoe Saldana 饰）、舵手苏鲁（约翰·周 John Cho 饰），以及17岁的领航员——天才少年契柯夫（安东·尤金 Anton Yelchin 饰）。
丽莎（安娜·帕奎因 Anna Paquin 饰）是一名17岁的高中生，和大多数高中生一样，虽然处于尴尬的青春期，但丽莎的生活中并没有太大的烦恼和困扰。一次意外中，丽莎被卷入了一场惨烈的交通事故中，一个陌生的女人在事故中身亡。女人的死颠覆了丽莎的世界，她再也无法用曾经的眼光来看待周围的一切了。
为了弥补内心的创伤，丽莎做出了很多的努力，但很快她便发现，所有企图弥补创伤的举动，最终都会带来新的伤痛，唯一的解决方法，就是还原车祸的全部真相。就这样，丽莎展开了她的调查行动，但各种各样的麻烦让她明白，她所作的这一切或许并非正确。
