A Enterprise visita o planeta M-113 para uma inspeção médica de rotina no casal de arqueológicos que lá vive, porém descobrem que a esposa foi substituída por uma mortal criatura, sugadora de sal, que pode mudar de forma.

Enquanto viaja abordo da Enterprise, um jovem chamado Charlie Evans aterroriza a tripulação com seus estranhos poderes mentais.

Depois da Enterprise tentar cruzar a Grande Barreira no limite da galáxia, os tripulantes Gary Mitchell e Elizabeth Dehner desenvolvem poderes psíquicos de "deus" que ameaçam a segurança do resto da tripulação.

Uma estranha e intoxicante infecção, que abaixa as inibições emocionais da tripulação, se espalha pela Enterprise. As ações inebriadas de um tripulante colocam a nave em perigo, forçando Scotty a realizar um perigoso e não testado procedimento de engenharia para salvar a nave da destruição.

Enquanto se transporta do planeta Alpha 177, um acidente do transporte divide o Capitão Kirk em dois seres: um "bom", que é fraco e indeciso, e outro "perverso", que é agressivo e dominador. Scotty deve rapidamente concertar o transporte para reunir os dois Kirk e resgatar o grupo de desenbarque que está preso na superfície de um congelante planeta.

A Enterprise persegue uma nave e resgata seus ocupantes: o vigarista interestelar Harry Mudd, que é preso por incríveis acusações, e três lindas mulheres, sua carga. Depois de Kirk desviar a nave para um planeta mineirador para obter novos cristais de lítio, Mudd negocia com os três mineradores que lá vivem, trocando as mulheres por cristais de lítio para benefício próprio.

À procura do noivo da enfermeira Chapel, renomado exobiologista Roger Korby, a Enterprise visita o gelado planeta Exo III, onde Korby descubriu um antiga máquina que o permite duplicar qualquer pessoa viva em um andróide. Ele planeja usar a máquina para espalhar andróides controlados por ele em toda a Federação.

Depois de descobrir o que parece ser uma duplicata do planeta Terra, o Capitão Kirk e seu grupo de desembarque encontram uma população devastada por uma estranha doença, que só as crianças parecem ter sobrevivido.

Em uma missão de abastecimento para uma colônia de reabilitação para os criminosos insanos, a tripulação da Enterprise descobre que os internos assumiram o controle do hospício e sequestraram Kirk e seus companheiros.

A Enterprise é ameaçada por uma nave alienígena gigante, cujo comandante condena a tripulação a morte. A nave alienígena parece superpoderosa e seu comandante recusa qualquer tentativa de comunicação, forçando Kirk a empregar um estratégia não ortodoxa para salvar a nave.

Spock sequestra a Enterprise para levar seu desabilitado antigo capitão, Christopher Pike, para o planeta proíbido de Talos IV. Ele então exije uma corte marcial onde usa os eventos de "The Cage" para contar a história de como Pike foi um prisioneiro no planeta anos antes.

Spock continua a detalhar os eventos de "The Cage" no tribunal. Depois de testemunhar os poderes mentais de ilusão dos talosianos, Kirk percebe que Spock quer retornar Pike para o planeta para que o antigo capitão possa viver uma vida onde ele possui saúde plena.

Enquanto visita um velho amigo, Kirk suspeita que um ator shakespeariano possa na verdade ser o assassino governador de Tarsus IV, onde Kirk cresceu. Kirk convida a companhia de teatro para se apresentar abordo da Enterprise para poder investigar. Porém, logo tentativas de asassinato começam a ocorrer na nave.

Enquanto investiga uma série de destruições em postos da Federação, a Enterprise descobre uma nave romulana com um dispositivo de camuflagem. As duas naves ficam presas em um jogo de gato e rato através do espaço.

O capitão Kirk ordena uma licença para a tripulação da Enterprise em um planeta aparentemente inabitado no sistema Omicron Delta. Os grupos de desembarque começam a ter estranhos avistamentos, como o Coelho Branco, Don Juan e um samurai. Enquanto isso, Spock descobre que o planeta está sugando energia dos motores da nave, colocando a Enterprise em perigo.

Spock e um grupo científico são enviados para estudar o quasar Murasaki 312 abordo da nave auxiliar Galileu. Durante a pesquisa, a Galileu é forçada a fazer um pouso de emergência no planeta Taurus II, onde a tripulação luta contra seus perigosos habitantes. Enquanto reparos são efeutados, Scotty determina que a nave não tem combústivel suficiente para chegar em órbita com todos os sete passageiros, forçando Spock a contemplar a possibilidade de deixar alguns tripulantes para trás.

A Enterprise descobre um planeta órfão à deriva no espaço, habitado por um excêntrico ser chamado Trelane, que aparentemente possui poderes ilimitados sobre matéria e forma para manipular a tripulação.

A Enterprise é atacada por alienígenas desconhecidos enquanto investiga a quase destruição da colônia de Cestus III. Enquanto persegue os alienígenas por espaço desconhecido, ambas as naves são capturadas pelos poderosos Metrons, que forçam Kirk e o capitão alienígena a entrar em um julgamento por combate: a nave do vencedor será libertada, enquanto a nave do perdedor será destruída.

Depois de acidentalmente viajar no tempo para 1969, a Enterprise resgata o piloto da Força Aérea Capitão John Christopher. A tripulação luta para retornar para seu tempo, enquanto simultaneamente retorna Christopher para a Força Aérea, removendo seu conhecimento sobre o futuro, e todos os registros de seu contato com a Enterprise.

O Capitão Kirk é colocado em corte marcial por negligência depois de um tripulante ser morto em uma tempestade iônica. Kirk afirma que suas ações foram adequadas e que elas não deveriam ter levado o tripulante à morte, porém as evidências são fortes contra ele.

A Enterprise descobre uma população planetária controlada por um poderoso ser chamado Landru. Enquanto investiga, o Capitão Kirk e seu grupo de desembarque são capturados e descobrem que os tripulantes da Enterprise serão os próximos a serem "absorvidos" pelo controle de Landru.

A Enterprise descobre uma antiga nave, a SS Botany Bay, que escapou das Guerrras Eugênicas da Terra no final do século XX. Os passageiros geneticamente modificados, liderados pelo criminoso de guerra Khan Noonien Singh, tomam o controle da Enterprise. (Este episódio serve como pano de fundo para o filme Jornada nas Estrelas II: A Ira de Khan)

Apesar de expostos a uma radiação mortal, a colônia da Federação em Omicron Ceti III parece estar prosperando. Um grupo de desembarque da Enterprise vai investigar, descobrindo que a população da colônia possui uma saúde além da explicação. Leila Kalomi, uma antiga amiga de Spock, mostra ao grupo de desembarque estranhas flores que parecem impôr um estado de puro êxtase naqueles que são expostos aos seus esporos. Os efeitos dos esporos se espalham rápido fazendo a tripulação se amotinar contra Kirk.

Enviada para a colônia mineiradora de Janus VI, a Enterprise é incumbida de investigar rumores de uma estranha criatura subterrânea responsável pela destruição de equipamentos e pela morte de cinquenta mineiros.

Negociações de paz entre a Federação e o Império Klingon falharam. A Enterprise é enviada para proteger Organia, um pacífico planeta localizado perto da fronteira klingon. Kirk e Spock são transportados para a superfície para avisar os organianos sobre os klingons, porém a frota klingon chega, forçando a Enterprise a partir abandonando Kirk e Spock na superfície.

Enquanto orbita um planeta aparentemente morto, a Enterprise parece experimentar um estranho momento de "não existência". O Capitão Kirk descobre um homem chamado Lazarus no planeta, que afirma que o efeito foi causado por seu "inimigo", uma insana versão dele mesmo vinda de um universo paralelo.

Depois de receber uma overdose de um perigoso medicamento, o Dr. McCoy age erraticamente e desaparece pelo Guardião da Eternidade, um portal do tempo em um remoto planeta. Kirk e Spock o seguem depois de descobrirem que McCoy de alguma forma alterou o passado, apagando toda a história que eles conhecem.

A Enterprise chega em Deneva—a casa do irmão do Capitão Kirk, Sam—e descobre que todo o planeta foi infestado por grandes alienígenas parecidos com amebas que atacaram e mataram grande parte da população humana. Uma das criaturas ataca Spock, que se oferece para se submeter aos testes do Dr. McCoy.