惑星M113に住む考古学者のクレイター夫妻に定期健康診断を実施するため、カーク、ドクター・マッコイらはM113に降り立つ。クレイターの妻ナンシーは、10年前マッコイの恋人だった女性だった。やがて同行した部下が死亡する事件が起き、死因を調べさせると、体中の塩分が一切なくなっている。クレイター博士が事件に関係ありと感じたカークは……。

エンタープライズ号は17才の少年、ピーター・エバンスアルファ第5植民星へ運ぶことになった。ピーターは14年前、3才の時に宇宙船遭難事故で唯一人生き残り、以後セイサス星で奇跡的に成長した話題の少年だった。一見したところ、傷つきやすい思春期の一般の少年と変わりなかったが、実はピーターは恐るべき超能力を持っていた。

エンタープライズは、200年前に行方不明となった宇宙船バリアント号の遭難信号レコーダーを回収する。それによるとバリアント号は磁気嵐に遭ったのだが、船が破壊された原因は人間の超能力に関係があるらしい。やがてエンタープライズは、バリアントと同様に磁気嵐に巻き込まれ、甚大な被害を受けてやっと脱出する。しかし……。

エンタープライズは、惑星サイ2000に接近。科学班を収容する任務を与えられた。ところが、科学班収容のために惑星に降りて来たジョーが不思議な病気を持ち帰り、それが船内に急速に広がり始めた。この病気にかかると患者はまるでアルコールか薬に酔っ払ったように自制心をなくしてしまうのだ。

エンタープライズ号は、惑星アルファ117で鉱石の標本を採集していたが、上院班員の1人が黄色い鉱石で傷を負い、船に収容される。この時、黄色い鉱石の影響を受けたためか、転送装置が故障してしまい、この結果、驚くべき事件が持ち上がった。続いて収容されたカークのすぐあとに、再びカークが転送されて来たのだ。

エンタープライズ号は、正体不明の小型宇宙船を追跡するが、相手が遭難したためその乗組員を救助する。乗組員とは、男は船長1人、あとの3名は謎の魅力をたたえる素晴らしい美人だった。実は遭難した宇宙船の船長マッドはペテン師で、今回もある開拓星に美人たちを高く売り込もうと思って旅に出たところをカークたちに発見されたのである。

カークはロジャー・コービー博士なる人物の生死を確かめるため、ある惑星に向かう。コービー博士は宇宙考古学で得た医療法、医薬を人類に紹介し、医学の発展に多大の貢献をしていた。カークたちは、博士の助手ブラウン、美人のアンドレアたちの出迎えを受けたが、この2人がアンドロイド、すなわち人造人間であるのを知って驚く。

エンタープライズは、地球式の遭難信号SOSを受信して驚く。この付近に地球の植民星はないのだ。信号発信地付近へ降り立ったカークたちは、再び驚かされる。地上は400年前の地球の光景と同じであり、しかも荒れるがままに放置してあって、人の住む気配はなかった。この第2の地球で起こっている謎の解明に取り組むカークたちだったが……。

エンタープライズはフィモ植民星の荷物を降ろし、代わりに箱をひとつ受け取ったが、その箱の中に男が潜んでいて、カークを脅し、フィモ植民星、通称「悪魔島」へ連れ戻さないでくれと懇願する。フィモ植民星とは、犯罪者たちの流刑の星で、アダム博士が指揮官の地位にあり、犯罪者たちの人間改造と社会復帰教育が行われているのだった。

突如謎の立方体がエンタープライズの行く手を遮り、監視を始めた。この不思議な物体は、エンタープライズが光速の何倍かのスピードで逃げてもピタリとあとをつけてコースを邪魔するのだ。ついにカークは決断を下して立方体を攻撃、破壊するが、今度は巨大な球型の物体が接近してきた！

エンタープライズ号は、クリストファー・パイク大佐からの要請で宇宙基地M11に急行するが、それはスポックが出した偽の要請だった。スポックは以前、パイク大佐がエンタープライズの船長をしていた時にすでに科学主任として乗り組んでいたが、その当時、船は現在接近すら禁じられている謎のタロス星へ行った事実があった。

禁断の惑星タロス4番へパイク大佐を送り届けようとするスポックの真意はどこにあるのだろうか？タロス4番と接触を持つことは死を意味するのに、スポックはあえて死を選ぼうとしているのだ。軍法会議の席上、映し出された映像は驚くべきものだった。13年前のエンタープライズ号の出来事が克明に描き出されたのだ。

エンタープライズは植民星シグニア・マイナーに向かった。レイトン博士が画期的な合成食品を発明したと報告が入ったからだが、博士と会ったカークは驚くべきことを聞かされる。実はシグニア・マイナーに宇宙巡回劇団が来て公演していたのだが、その主催者でありスターであるカリディアンが、「死刑執行人」と異名を取った殺人鬼コドスと同一人物だというのだ。

エンタープライズ号へ地球の前哨基地から緊急連絡が入った。正体不明の宇宙船の攻撃を受け、基地が次々と破壊されているというのだ。しかもその敵の兵器が強烈きわまりないもので、防御スクリーンさえ何の役にも立たなかったのだ。カークたちは直ちに前哨基地へ駆けつけるが、その時初めて敵宇宙船の姿を目撃し、ロミラス星人が乗り込んでいることを知った。

3か月の激務を終えたカークたちは、全員に休暇を与えるため、ある惑星に接近し調査班を上陸させる。すると調査班の一員だったドクターが「不思議の国のアリス」に出てくるようなウサギと女の子を見たため、カークが降りて安全を確認することになったのだが……。

植民地ニューパリで伝染病が猛威をふるい、エンタープライズ号は緊急医薬品をマーカス3番星まで運ぶ任務につく。ところが、途中ムラサキ312として知られる科学現象に遭遇し、調査のために宇宙艇ガリレオが出発したことから大事件に巻き込まれる。

エンタープライズはある太陽系で不思議な惑星を発見、傍を通過しようとした時、カトーとカークの姿が突如消えてしまう。何者かの仕業でこの謎の惑星に転送されたに違いないと思うスポックは、ドクターたちを捜索隊として派遣する。調査ではその惑星は生命が存在できる状態ではないのだが、実際に惑星に降り立つと、森が茂り、地球と全く同じ条件であった。

エンタープライズは、地球の最前哨基地があるセスタス3号星の要請を受け、基地へ向かう。ところが基地はすでに完全に破壊されており、カークたちも何者かに激しい攻撃を受ける。敵を撃退し、逃走する敵船の追跡に移ったカークたちだったが、銀河の果てのある太陽系付近まで追っていったところ、敵船もエンタープライズも、謎の光線で静止させられる。

エンタープライズ号は宇宙飛行中にブラックスターという星の強烈な引力に引かれて自由を失う。この引力から逃れるために全動力を逆回転させた結果、バランスを失って宇宙の彼方に叩きつけられ、何と400年前の1960年代に戻ってしまった。一方、エンタープライズが接近するのをキャッチした地球のアメリカ空軍は……。

エンタープライズ号は激しいイオン嵐に遭遇し、船体にかなりの被害を受け、犠牲者1名を出した。このため、急きょ第11宇宙基地に寄港し、補修作業を受けることになったが、証拠品として提出したコンピューター日誌に、意外な事実が記録されていた。犠牲になったフィニー少佐は観測室へ入っていて、カークがその観測室を切り離したため死亡したというのだ。

100年前に行方不明となったパトロール艦アーコン号の手がかりを探すため、エンタープライズは惑星ベータ3に接近して、カトーとオニールが偵察班として上陸する。だがカトーは、人が変わったような異常な心理状態で戻ってきた。このため、今度はカークをリーダーとする偵察班が上陸するが、無表情に歩いていた人々が突如大歓声を上げ、夜通し大騒ぎを演じる。

エンタープライズは地球の古い宇宙船に遭遇する。船内には20世紀の人間が80名近くも人工冬眠器に入って眠り続けていた。しかも何かの影響で、その中の1人、リーダーとおぼしき男が冬眠から覚めてしまった。カンと名乗るこの男は、磁石のような不思議な吸引力を持つ偉丈夫で、20世紀に名をあげた英雄の典型的なタイプだった。

オミクロン・ケティ3番星には3年前から農地開拓者グループが移住していたのだが、宇宙のバーソルド光線の照射を受けていることが判明し、全員死亡したとみられていた。ところが、惑星に降り立ったカークたちを開拓者たちが出迎えた。カークたちは開拓者全員を宇宙基地へ撤去させようとするが、何故か彼らは頑としてそれを拒否する。

惑星ジェナス6から緊急連絡を受けたエンタープライズ号は、至急この古い植民星に向かう。ジェナス6には50年以前からペルジューム生産ステーションがあったが、最近この地下坑道に怪物が現れ、機械や人間を次々と犠牲にしていくというのだ。

地球が属する惑星連邦と、クリンゴン帝国の平和交渉が決裂し、ついに全面戦争に入った。カークたちは宇宙艦隊総司令部の命令で、惑星オルガニアに急行する。このオルガニアは戦略上、双方にとって重要な位置にあるため、クリンゴンの基地にされるのを阻止せよという命令だった。

パトロール中、エンタープライズは強烈な衝撃を受けた。原因不明の謎のショックで、全宇宙が影響を受けたらしい。衝撃の源と思われる惑星を調査すると、そこで発見したのは小さな宇宙艇と地球人と全く同じ1人の男だった。ラザラスと名乗るこの男の語るところによると、彼は数年来、自分たちの文明を破壊した悪魔を追い続け、この惑星に来たらしい。

エンタープライズは、何百万キロ彼方の宇宙から、時間に歪みを与える障害波が出ているのをキャッチし、その原因調査に急行する。そしてある惑星に原因が存在することを突き止めるが、そのときドクターが手に持っていた劇薬コルドラジンを、自分に注射してしまうという事故が起こった。結果、ドクターはカークたちが自分を殺そうとしていると思いこみ、惑星上に逃げてしまう。

エンタープライズは銀河の一画に起こった謎の事件の解答を得るため、惑星デネバへ向かう。記録によるとこの区域で、幾度か得体の知れない異常現象が起こり、文明が破壊されてしまっていた。過去の事件から推測すると、次はデネバで発生しそうだ。しかもデネバには、カーク船長の兄一家が住んでいるため、エンタープライズは全速でデネバへ向かう。