Eine riesige, über 80 Astronomische Einheiten große Energiewolke, fliegt direkt auf die Erde zu, nachdem sie bereits drei klingonische Raumschiffe und eine Föderationsraumstation zerstört hat, die erfolglos versucht hatten, mit ihr zu kommunizieren. Die Sternenflotte entsendet die generalüberholte U.S.S. Enterprise NCC-1701, um die Bedrohung abzufangen. Der zum Admiral beförderte James T. Kirk lässt sich kurzfristig das Kommando über das Schiff geben, obwohl ihm viele Neuerungen nicht vertraut sind, und versetzt den ursprünglichen Captain Will Decker auf den Posten des Ersten Offiziers. Die Deltanerin Lieutenant Ilia, Deckers frühere Geliebte, tritt ihren Posten als Navigatorin an. Um die Wolke möglichst rasch zu erreichen, lässt Kirk die Enterprise mit dem noch nicht ausreichend getesteten Warp-Antrieb fliegen. Dabei kommt es zu einem Maschinenfehler, durch den die Enterprise in einem Wurmloch gefangen wird. Decker kann das Schiff durch einen eigenmächtigen Befehl befreien. Kirk gibt ihm zwar recht, behält aber seine konfrontative Einstellung gegenüber Decker bei, wofür er von McCoy zurechtgewiesen wird.
Spock versucht auf dem Planeten Vulkan das Kolinahr zu meistern, eine traditionelle Technik zur vollkommenen Unterdrückung von Emotionen. Er besteht den Test nicht, da er das Vorhandensein der Wolke als ein fremdes Bewusstsein spürt und sich stattdessen auf den Weg zur Enterprise begibt, wo er seinen früheren Posten als Wissenschaftsoffizier einnimmt, da der ursprünglich als Wissenschaftsoffizier vorgesehene Vulkanier Sonak bei einem Transporter-Unfall getötet wurde. Mit Spocks Hilfe wird der Warp-Maschinenfehler behoben, sodass die Enterprise bald bei der Wolke angelangt. Ein Energiestrahl aus der Wolke tastet das Schiff ab. Spock erkennt den Strahl als Kommunikationsversuch. Anschließend fliegt die Enterprise ins Innere der Wolke, auf Kirks Entscheidung gegen Deckers Protest ohne Schutzschilde, um friedliche Absichten zu demonstrieren.
Die Wolke erweist sich als Struktur aus vielen gigantischen Teil-Räumen. Offenbar ist sie keine bloße Energieansammlung, sondern eine riesige Maschine mit einer zentralen Steuerung und Waffensystemen, gegen die die Enterprise machtlos ist. Eine auf der Brücke erscheinende Sonde versucht Daten aus dem Bordcomputer zu extrahieren und lässt dann Ilia verschwinden, worauf Decker schwere Vorwürfe gegen Kirk erhebt. Kurz darauf erscheint eine maschinelle Kopie von Ilia. Diese dient der fremden Entität als Kommunikationskanal zur Enterprise-Besatzung. Sie nennt die Entität „V’ger“ (englisch ausgesprochen: „wi-dscher“) und sagt, V’ger sei auf der Suche nach seinem Schöpfer, den es auf der Erde zu finden glaubt. Spock nähert sich mit einem Raketen-Raumanzug dem Zentrum der Wolke und erfährt nach einer Gedankenverschmelzung, dass V’ger über ungeheures Wissen verfügt. Der von dieser Verschmelzung bewusstlose Spock wird von V’ger zur Enterprise zurückgeschickt.
Das riesige Gebilde, in dem die Enterprise eingeschlossen ist, hat mittlerweile die Erde erreicht und versucht Kontakt zu seinem Schöpfer aufzunehmen, erhält jedoch keine Antwort. Darauf will es alle Menschen auf der Erde vernichten, da sie den Schöpfer am Antworten hindern. Kirk überzeugt V’ger davon, das Rätsel zu lösen und gewinnt dadurch Zeit. Die Enterprise wird von einem Traktorstrahl weiter ins Innere der Maschinenwolke gezogen, wo Kirk mit seinem Team sein Schiff verlässt und in einer von V’ger erzeugten Sauerstoffblase zu Fuß zum Zentrum geht. Dort finden sie eine Raumsonde mit der teilweise verschmutzten Aufschrift „Voyager 6“, die von der NASA im 20. Jahrhundert mit dem Ziel gestartet wurde, möglichst viel Wissen über das Universum zu sammeln und es der Menschheit zu übermitteln. Sie wurde von einem Schwarzen Loch geschluckt und gelangte zu einer Maschinenzivilisation, die in der Sonde etwas Artverwandtes sah und sie zur Erfüllung ihres Auftrages zu der riesigen Maschinenwolke ausbaute. V’ger, wie sich das gesamte Gebilde nun nannte, hatte dadurch ein eigenes Bewusstsein erlangt und die Reise fortgesetzt, bald alles Erlernbare gelernt und sich dann weisungsgemäß auf den Rückweg zur Erde begeben, um das gesammelte Wissen seinem Schöpfer, also der Menschheit, zu überbringen. Der Wissenstransfer scheiterte allerdings daran, dass auf der Erde niemand mehr den Kommunikationscode verstand.
Doch als das Außenteam versucht, den Antwortcode aus Archiven von Hand einzugeben, zerstört V’ger seine eigene Antenne. V’ger hat erkannt, dass die Menschen seine Schöpfer sind, und verlangt nun tiefere Antworten nach dem Sinn der Leere seiner Existenz, die nichts als Logik kennt. Decker, der das Wesen seiner geliebten Ilia noch in der Maschine spüren kann, bietet sich an, mit V’ger eins zu werden und ihm so das Wesen des Mensch-Seins zu offenbaren. Gemeinsam mit der Ilia-Sonde löst er sich in leuchtende Energie auf, ein neues Wesen entsteht und die Wolke verschwindet. Damit ist die Enterprise wieder im freien Raum nahe der Erde, und die Gefahr ist abgewendet. Kirk meldet in seinem Bericht Ilia und Decker als Verluste, jedoch nicht als tot, sondern als vermisst. Vor dem Beginn des Abspanns erscheint im Bild der Satz „Das menschliche Abenteuer beginnt gerade erst.“