Die Crew der Enterprise befindet sich im dritten Jahr ihrer fünfjährigen Erkundungsmission in den Tiefen des Alls. Kirks Versuch der Kontaktaufnahme mit einem fremden Volk eskaliert, als er als Friedensgeschenk ein uraltes Artefakt anbietet, den Teil einer antiken Waffe. Er wird von den empörten Aliens angegriffen und muss leicht verletzt per Transporter zurück auf die Enterprise gebeamt werden. Kirk ist ausgelaugt von der langen Zeit im Weltall und bewirbt sich daher, ohne seine Crew zu informieren, als stellvertretender Kommandant auf der riesigen und hochmodernen Raumstation Yorktown. Diese liegt weit draußen im All und wird von einer Vielzahl unterschiedlicher Lebewesen bewohnt. Die Enterprise dockt dort an, um vor ihrer Weiterreise Proviant aufzunehmen. Spock erfährt vom Tod seines älteren Pendants, Botschafter Spock, worauf er ebenfalls beschließt, die Enterprise zu verlassen, um seinem Volk beim Wiederaufbau auf Neu-Vulkan zu helfen.
Yorktown nimmt ein schwer beschädigtes Schiff auf, dessen Kapitänin Kalara das einzige Besatzungsmitglied ist. Sie bittet die Föderation um Hilfe bei der Befreiung ihrer Crew, die in einem Sternennebel gefangen gehalten wird. Die Enterprise begibt sich auf die Rettungsmission in den Nebel, wird aber kurz vor Erreichen des Zielplaneten von unzähligen kleinen Schwarmschiffen angegriffen, schwer beschädigt und geentert. Die Schwarmschiffe trennen zunächst die Warpgondeln und schließlich die Untertassensektion der Enterprise ab. Die Crew flüchtet mit Rettungskapseln, und während die Untertassensektion steuerlos auf den Planeten abstürzt, fangen die feindlichen Schiffe die meisten Rettungskapseln ab und nehmen den Großteil der Besatzung gefangen, sodass nur wenige Kapseln weit verstreut den Planeten erreichen.
Kirk und Chekov versuchen, zu Fuß die Untertassensektion zu erreichen, um ein Notsignal abzusetzen, während McCoy und der verletzte Spock Hinweise finden, dass das Artefakt ursprünglich von diesem Planeten stammt. Scotty trifft auf Jaylah, eine ebenfalls auf diesem Planeten gestrandete Angehörige einer fremden Spezies, deren Familie von Krall und seinen Gefolgsleuten grausam getötet wurde. Krall steckt hinter dem Hinterhalt, in den die Enterprise geraten ist. Jaylah versteckt sich vor Krall im Wrack des Föderationsraumschiffs USS Franklin, das vor über 100 Jahren ebenfalls auf dem Planeten abgestürzt war. Sie hält es mit Tarnprojektoren verborgen und versucht seither, es instand zu setzen, um den Planeten zu verlassen. Scotty verspricht, ihr dabei zu helfen, wenn sie ihn im Gegenzug bei der Befreiung der Enterprise-Crew unterstützt.
Es zeigt sich, dass Krall auf der Suche nach dem antiken Artefakt ist und dass Kapitänin Kalara ihm als Lockvogel gedient hat. Ihr Erscheinen auf der Yorktown war nur ein Trick, um die Enterprise mit dem Artefakt zu dem Planeten zu locken. Kirk ahnte dies jedoch und konnte das Artefakt während des Angriffs auf der Enterprise verstecken. Nach und nach treffen sich Kirk, Spock, McCoy, Scott und Keenser auf der USS Franklin wieder und ziehen zusammen mit Jaylah in den Kampf gegen den übermächtig wirkenden Krall. Der hat das Artefakt inzwischen in seinen Besitz bringen können. Es ist das letzte fehlende Teil einer biologischen, tödlichen Waffe, die er an Fähnrich Syl von der Enterprise testet.
Kirk plant, seine gefangene Crew zu befreien, was mithilfe des von Scotty modifizierten Transporters der USS Franklin auch gelingt. Nachdem der Angriff von Kralls Truppen abgewehrt ist, erkennt Uhura ihn auf einer alten Videoaufnahme wieder: Er ist der Kapitän der USS Franklin, Balthazar Edison, der sein Leben durch das Übertragen der Lebenskraft anderer Personen auf sich selbst verlängert hat. Edison ist überzeugt, nach seinem Absturz auf dem Planeten von der Föderation im Stich gelassen worden zu sein. Aus Rache hierfür plant er nun, alles Leben auf der Yorktown mit seiner neuen Waffe auszulöschen, indem er sie im Zentrum der Station aktiviert, und macht sich mit seiner Flotte auf den Weg dorthin.
Kirk und seinen Leuten gelingt es, die USS Franklin wieder raumflugtauglich zu machen und vom Planeten zu starten. Sie finden heraus, dass sie die Schwarmschiffe durch Abstrahlen einer lauten Musikübertragung auf deren Kommunikationsfrequenz zerstören können. Mit Unterstützung von Yorktown gelingt dies, doch Krall, der sich inzwischen wieder zu seinem ehemaligen Ich, Edison, zurückverwandelt hat, kann mit seiner Waffe ins gravitationslose Zentrum von Yorktown vordringen. Im letzten Moment wird er von Kirk aufgehalten und ins Weltall befördert, wo seine Biowaffe ihn umbringt. Spock und McCoy retten anschließend Kirk, der ebenfalls ins All gesaugt zu werden droht.
Schließlich setzt die Crew mit der neuen USS Enterprise NCC-1701-A ihre fünfjährige Mission fort, nachdem sowohl Kirk als auch Spock darauf verzichtet haben, den Dienst auf dem Schiff zu quittieren.