Sur la planète Cestus III, un avant-poste de la Fédération est attaqué par un vaisseau inconnu, ne laissant qu'un seul survivant. L'Enterprise prend en chasse le vaisseau Gorn jusqu'à ce qu'une race extrêmement puissante (les Metrons) transporte Kirk et le capitaine du vaisseau Gorn sur une planète désertique pour qu'ils s'affrontent seul à seul, à mains nues. Pendant ce temps, les Metrons immobilisent l'Enterprise et le vaisseau Gorn.

L'Enterprise découvre le vaisseau cryogénique SS Botany Bay, après avoir reçu son appel de détresse automatique. Les habitants de ce vaisseau sont des réfugiés des guerres Eugéniques terrestres de la fin du 20ème siècle. Parmi eux se trouve Khan Noonien Singh, tyran qui a régné sur un quart de la Terre pendant cette période. Après leur échec pour prendre le contrôle de l'Enterprise, Khan et ses complices sont exilés par Kirk sur la planète Ceti Alpha V, sans en informer la Fédération. Le film Star Trek II présente la suite de cette aventure.

Kirk est chargé par l'ambassadeur Fox de nouer des liens diplomatiques avec la planète Eminiar VII malgré l'interdiction imposée par Starfleet de prendre contact avec la planète. En effet, celle-ci est en guerre avec la planète voisine par ordinateur interposé. Celui-ci calcule les pertes de cette guerre virtuelle et "euthanasie" les victimes. Peu après l'équipage de l'Enterprise est déclaré "victime" à son tour.

L'équipage est appelé à la rescousse par la colonie minière de Janus VI, dont les mineurs sont décimés par une créature inconnue.

L'Enterprise est chargé d'empêcher une invasion des Klingons en défendant la planète Organia. Supposée inhabitée, cette planète abrite une société peu évoluée techniquement. Kirk propose alors son aide aux Organiens pour se défendre contre les Klingons, mais ceux-ci refusent et se laissent envahir. Plus tard, il s'avère que les Organiens sont en réalités une espèce incorporelle très puissante et ils obligent les Klingons à signer un traité de paix avec la Fédération. Ils prédisent de plus que, dans le futur, les deux races deviendront amies, ce qui ne se démentira finalement pas (cf. Star Trek VI).

Pendant l'exploration du système Beta Geminorum, l'équipage de l'Enterprise découvre une forme de vie inconnue sur la planète Pollux IV. La créature prétend être Apollon.

Lors de leur visite sur la planète Gamma Trianguli IV, l'équipage de l'Enterprise croit trouver une planète paradisiaque, mais il s'aperçoit vite que chaque plante est piégée et que tous les habitants adorent un dieu étrange.

Une navette emportant Kirk, Spock, Mc Coy et Nancy Hedford (atteinte d'une maladie incurable) est détournée et s'écrase sur la planète Gamma Canaris N. Ils découvrent que les seuls habitants de cette planète sont une entité gazeuse et le scientifique Zefram Cochrane, disparu en 2117. Zefram est le découvreur de l'espace Warp et l'inventeur de la propulsion Warp (moteur à distorsion) permettant de voyager plus vite que la lumière.

La Fédération reçoit un message de détresse d'un vieux vaisseau : l'USS Horizon, disparu en 2168. En arrivant sur les lieux (la planète Sigma Iota II), l'équipage découvre que toute la planète vit sur le modèle de Chicago pendant la prohibition à cause d'un livre oublié par l'équipage de l'Horizon lors de son passage.

L'Enterprise part à la recherche d'un vaisseau disparu, autour de la planète 892 IV. En se téléportant sur la planète, Kirk, Spock et McCoy découvrent que celle-ci est occupée par une civilisation semblable à celle de l'Empire Romain. Kirk est encore plus surpris de trouver le capitaine du vaisseau disparu en train d'assister tranquillement au massacre de ses hommes dans l'arène.

Au cours d'une mission d'exploration dans le système Sigma Draconis, l'Enterprise est attaqué par un vaisseau inconnu qui, grâce à une technique très avancée, vole le cerveau de Spock. L'Enterprise poursuit le vaisseau jusqu'à la planète Sigma Draconis IV.

Après avoir violé l'espace Melkotien, Kirk, Scott, Spock, Mc Coy et Chekov se retrouvent transportés dans les rôles des frères Carlton pour la bataille d'OK Corral. Il s'avèrera plus tard que toute la bataille était une simulation des Melkotiens, race télépathiquement très puissante.

En réponse à un signal de détresse, l'Enterprise arrive près de la planète Scalos. Kirk et plusieurs membres d'équipage se téléportent sur la planète et découvrent la trace d'une civilisation très avancée, mais dont il ne reste aucun représentant. Peu après leur retour sur le vaisseau, ils enregistrent un certain nombre de dysfonctionnements dans les appareils à bord.

L'Enterprise intercepte une navette de la Fédération, volée sur la base 4. Son seul occupant est Lokai, qui déclare venir de la planète Cheron et demande l'asile politique. Peu de temps après, un second vaisseau intercepte l'Enterprise. À son bord, se trouve le commissionnaire Bele, de la planète Cheron, qui demande qu'on lui remette Lokai.