L'Enterprise est en mission de ravitaillement pour la colonie archéologique de la planète M-113. À leur arrivée, Kirk, Spock et McCoy rencontrent le chef de la mission, Bob Crater et sa femme Nancy. Cependant, il apparaît vite que cette dernière se comporte étrangement.

Après avoir détruit une sonde radioactive, l'Enterprise est menacé par un vaisseau énorme qui le surpasse vitesse, puissance et armement. Il ne reste à Kirk que le bluff pour s'en sortir.

Le capitaine Pike, ancien capitaine de l'Enterprise, a été gravement brûlé et irradié lors d'un accident; il se trouve à la base 11. En visite à bord de cette base avec le capitaine Kirk, Spock l'enlève, vole l'Enterprise et se dirige vers la planète Talos IV qu'il avait visitée en compagnie du capitaine Pike bien des années auparavant. Kirk et le Commodore José (commandant de la base 11) prennent une navette et partent à la poursuite de l'Enterprise.

Un vaisseau Romulien attaque sans raison des avant-postes de la Fédération, alors que celle-ci n'a plus aucun contact avec les Romuliens depuis 2160, date à laquelle un traité de paix a été signé et une zone tampon a été établie (Zone Neutre). Kirk doit décider s'il poursuit ou non le vaisseau dans la Zone Neutre, au risque de provoquer une nouvelle guerre.

La navette Galilée s'écrase sur la planète Taurus II, avec à son bord Spock, McCoy, Scotty et trois autres membres d'équipage. La navette est dans l'impossibilité de communiquer avec l'Enterprise qui doit effectuer une mission sanitaire d'urgence. Kirk doit choisir entre l'abandon des recherches et celui de la colonie.