Dopo che una bella aliena ha stordito l'equipaggio dell'Enterprise e rubato il cervello di Spock, Kirk e il suo gruppo cominciano un inseguimento che li porta su un bizzarro pianeta dove coesistono due culture divise, governate da un'antica e avanzatissima tecnologia.

Il capitano Kirk, insolitamente teso ed irritabile, ordina all'Enterprise di entrare nella Zona Neutra Romulana, dove la nave viene subito circondata. Teletrasportato sulla nave romulana, Kirk mente a proposito dell'invasione di spazio e poi attacca Spock, che si difende usando la presa mortale vulcaniana. Mentre la comandante romulana corteggia Spock, una missione segreta comincia a dipanarsi.

Indagando su un mondo alieno che l'Enterprise sta cercando di salvare da un asteroide in rotta di collisione, Kirk scopre un antico apparato tecnologico che accidentalmente cancella la sua memoria. Sfortunatamente per Kirk, che p stato accolto con favore dagli abitanti del pianeta condannato, l'Enterprise non è in grado di fermare l'asteroide.

Nonostante tutti gli adulti della colonia scientifica di Starnes su Triacon siano morti, i loro figli sembrano felici e per nulla preoccupati. Indagando, Kirk e i suoi uomini incontrano una forza aliena che sta cinicamente usando i bambini per un ignobile scopo.

L'Enterprise sta trasportando un esperto navigatore, una telepate e un alieno la cui solo vista può causare la pazzia negli umani. Il navigatore, dopo aver dato un'occhiata all'alieno, porta la nave oltre i confini della galassia, mettendo in pericolo le vite di tutti a bordo e lasciando l'equipaggio troppo disorientato per riportare a casa il vascello.

Nonostante l'avvertimento di rimanere lontani dal pianeta dei Melkotiani, Kirk deve eseguire l'ordine di stabilire un contatto con gli abitanti del pianeta. Considerati invasori, Kirk, Spock, McCoy, Scotty e Chekov vengono costretti a partecipare a una mortale simulazione della sfida all'OK Corral, nei panni della banda destinata a morire.

Nonostante ci sia una debole tregua tra i due popoli, un comandante Klingon accusa Kirk di aver danneggiato la sua nave e reclama l'Enterprise come bottino di guerra. Anche se Spock riesce a fare prigionieri i Klingon, entrambi gli equipaggi si trovano a lottare contro un altro nemico: un intruso alieno che è a caccia sia di uomini sia di Klingon.

Anche se ha appena scoperto che il Dottor McCoy è affetto da una malattia incurabile, Kirk deve indagare su un asteroide che si trova in rotta di collisione su un pianeta. Quando l'asteroide si rivela un'astronave che contiene umanoidi che non sanno di abitare in un mondo artificiale, McCoy si innamora della bella leader di quella società.

Nel tentativo di salvare la U.S.S. Defiant, Kirk scopre che l'equipaggio è morto e che l'astronave si trova in bilico tra due universi. Quando anche Kirk viene catturato nel flusso interspaziale, l'Enterprise deve rimanere nei dintorni per poterlo salvare appena riapparirà. Sfortunatamente , astronavi Tholiane approfittano della situazione per intrappolare il vascello federale.

In risposta ad una chiamata di soccorso, l'Enterprise incontra i Platoniani, una razza dagli incredibili poteri psicocinetici. Dopo che McCoy cura un Platoniano ammalato, gli alieni decidono che il dottore è troppo prezioso per farlo andare via, e gli uomini dell'Enterprise vengono costretti a diventare marionette per il divertimento dei Platoniani.

Dopo aver scoperto una città deserta sul pianeta Skalos, gli uomini dell'Enterprise si stupiscono quando uno degli uomini della squadra di sbarco svanisce dopo aver bevuto l'acqua del luogo. Più tardi, dopo aver bevuto un caffé, Kirk prova uno strano effetto temporale e scopre un piano per rapire i membri maschi dell'equipaggio dell'Enterprise.

Intrappolati su un pianeta da una tempesta solare, Kirk, Spock e McCoy si rifugiano in caverne sotterranee, dove scoprono "Gemma", una fragile aliena con abilità di guaritrice. Quando la squadra di sbarco viene catturata dai Vians, i tre uomini dell'Enterprise sono costretti ad affrontare torture terribili e forse letali.

Un sistema con due mondi in guerra tra loro è oggetto di disputa con i Klingon. L'Enterprise, costretta a mantenere il silenzio delle comunicazioni, deve portare la propria passeggera, Elaan, a Troyius, per un matrimonio che porterà la pace tra i due popoli. Durante il viaggio gli sforzi per educare la barbara Elaan hanno conseguenze disastrose.

Trasportando una nuova medicina che dovrebbe guarire i malati mentali, l'Enterprise entra nell'orbita di un pianeta che ospita un manicomio di massima sicurezza per i pazzi criminali. Dopo aver scoperto che il manicomio è controllato da un potente paziente mutaforma, Kirk e Spock devono cercare di impedire al folle di mettere in atto il suo piano di conquista dell'universo.

Dopo aver salvato Lokai, un alieno che ha il corpo bianco da un lato e ber dall'altro, l'Enterprise viene inseguita da Bele, un alieno i cui colori sono speculari rispetto a quelli di Lokai. Quando Bele dichiara che Lokai è un fuggiasco traditore, si scopre una tragica storia di razzismo.

Credendo di scendere sul pianeta Gideon, mondo perfetto e senza problemi seppure riservato, Kirk resta sconvolto nello scoprire che il pianeta è invece drammaticamente sovrappopolato. Cosa ancora peggiore, il capitano scopre di aver perso nove minuti di ricordi. Verrà svelato un fuorviante piano per poter uccidere molti degli abitanti di Gideon.

Mandati a indagare su un pianeta che ha inspiegabilmente sviluppato un ambiente abitabile in soli diecimila anni, gli uomini dell'Enterprise si ritrovano sotto attacco da parte di una dona capace di uccidere con un solo tocco e col potere si scaraventare un'astronave a quasi mille anni luce di distanza.

Alla ricerca di un antidoto alla febbre rigeliana, Kirk e il suo equipaggio scoprono un umano, Flint, e la sua pupilla, Rayna, su un pianeta che si pensava disabitato. Anche se Flint si offre di fornire l'antidoto, comincia a preoccuparsi sempre più della relazione di Rayna con il capitano Kirk.

Dopo aver inseguito una navetta rubata fin quando questa non esplode, l'Enterprise accoglie a bordo gli uomini a bordo della navetta stessa. Questi si rivelano essere una congrega di "hippy" spaziali guidati da un folle che è portatore sano di una grave malattia. Quando il loro capo viene messo agli arresti, i suoi accoliti cominciano a dar problemi a Kirk.

Sul pianeta Ardana, i nativi Trogloditi estraggono la zeenite e servono la classe dominante che vive sulla città di Stratos. McCoy scopre che i Trogloditi e gli abitanti di Stratos appartengono alla stessa razza, ma i Trogloditi sono ritardati a causa dell'esposizione alla zeenite. Kirk decide di ribaltare l'ordine stabilito sul pianeta.

Analizzando un pianeta apparentemente privo di forme di vita, Kirk e Spock restano sorpresi dall'invito di scendere sulla superficie fatto da Abramo Lincoln che presenta loro altre figure storiche famose e famigerate. L'incontro si rivela presto una trappola delle creature di roccia native del pianeta, che vogliono far lottare gli ufficiali della Flotta Astrale.

Nel tentativo di salvare gli abitanti di Sarpeidon prima che il loro sole esploda, Kirk e i suoi uomini scoprono che il pianeta è deserto. Tutti gli abitanti, tranne uno, sono fuggiti nel passato con una macchina del tempo. Senza comprenderne il funzionamento, Kirk si getta nel portale e viene seguito da Spock e McCoy.

Dopo aver scoperto che Janice Lester si è ammalata gravemente a causa delle radiazioni di celebio, Kirk viene spinto contro una macchina di trasferimento delle entità vitali con lei, non rendendosi conto che la donna lo odia. La procedura scambia le due personalità, lasciando Kirk nel corpo di Janice, e dando a Janice l'occasione perfetta per eliminarlo.