Ce qui suit dévoile des moments clés de l’intrigue.
2233. Alors que le USS Kelvin, au bord duquel se trouvent les parents de James T. Kirk, étudie un étrange phénomène, un gigantesque vaisseau inconnu surgit d'une faille temporelle. Le vaisseau de la fédération est rapidement mis hors de combat et son capitaine contraint de se rendre sur la passerelle ennemie où il se fait tuer après avoir donné une date qui visiblement irrite Néro, un capitaine Romulien. Devenu capitaine du Kelvin, George Kirk ordonne l'évacuation du vaisseau. Sa femme, secourue dans une navette, donne prématurément le jour à James T. Kirk, puis assiste impuissante à la mort de son époux qui se sacrifie en jetant les restes du Kelvin contre l'agresseur pour couvrir leur fuite.
Privé de son père, James développe en plus de ses dons scientifiques une personnalité de rebelle qui n'empêche cependant pas le capitaine Pike de l'inciter à s'engager dans Starfleet, en le mettant au défi de faire mieux que son père-qui avait réussi par son sacrifice à sauver 800 personnes en 12 minutes- défi que Kirk décide de relever. Il y rencontre rapidement McCoy. À l'issue de sa formation, Kirk réussit le test du Kobayashi Maru en truquant les logiciels, ce pour rétablir un équilibre selon lui faussé par Spock, qui a conçu le test. Kirk passe en conseil de discipline pour ce fait mais l'agression de Vulcain par un vaisseau inconnu alors que la majeure partie de la flotte est occupée sur un autre front force l'Académie à envoyer ses cadets en mission. James est cependant suspendu et ne part sur l'Enterprise que grâce à une manœuvre de McCoy. Il décèle un piège grâce à des informations recoupées avec des paroles de la traductrice Nyota Uhura et arrive à convaincre Pike qui ralentit le vaisseau. Bien leur en prend car à leur arrivée, les autres navires de la Fédération ont été détruits par Néro qui est occupé à forer un gigantesque puits dans la croûte de Vulcain. L'Enterprise est cependant victime des tirs romuliens et Pike doit se livrer à Néro, non sans donner l'ordre à Kirk et à Sulu de détruire le foreur laser.
La mission est accomplie mais hélas trop tard. Néro a foré Vulcain jusqu'au noyau et y précipite un missile chargé d'une étrange matière rouge. La planète est alors prise de violents soubresauts et Spock comprend qu'il doit sauver les patriarches de son monde afin de préserver la civilisation vulcaine. L'évacuation réussit mais Spock perd sa mère, victime d'un effondrement rocheux qui l'arrache au faisceau de téléportation. Peu après, Vulcain implose, dévorée par un trou noir généré en son sein par la matière rouge.
Kirk et Spock s'affrontent alors sur la suite à donner aux événements. Kirk veut poursuivre Néro qui a mis le cap sur la Terre, mais Spock argue que leur vaisseau seul ne suffira pas contre une telle force de frappe, et qu'ils doivent en premier rejoindre la flotte. Spock, alors capitaine de fait du vaisseau, use de sa prérogative pour expulser Kirk de l'Enterprise et l'expédie vers une planète prison du système de Vulcain où il sait que le turbulent cadet trouvera un avant-poste de la fédération pour en repartir plus tard. Kirk sort de sa capsule au mépris de toute prudence et se voit pourchassé par de féroces carnassiers locaux. Acculé dans une caverne de glace, Kirk est sauvé par un vieux Vulcain qui se révèle être un Spock vieillissant.
Ce dernier use de la fusion mentale pour informer Kirk de ce qui s'est passé. Alors qu'il était ambassadeur sur Romulus (après les événements contés dans Star Trek 10), les scientifiques romuliens ont appris que leur étoile allait devenir une nova dans un avenir proche. Spock a apporté son aide et lui et les Romuliens ont mis au point une matière d'une densité inouïe capable de générer un trou noir, ce afin de pomper l'afflux d'énergie de la nova. Mais le processus de formation prit trop de temps et Romulus fut détruite avant que le trou noir ne se développe suffisamment. Le vaisseau de Spock ainsi qu'un vaisseau minier (celui de Néro) furent pris par le trou noir et renvoyés vers le passé, la faible masse du vaisseau de Spock lui permettant d'arriver plus de vingt ans après le vaisseau de Néro qui, patient, finit par le capturer. Le jugeant responsable de la fin de Romulus, Néro l'exila sur sa planète gelée afin qu'il assiste impuissant à la fin de Vulcain.
Spock accepte de conduire Kirk à l'avant-poste (à la condition que ce dernier ne dise rien de tout cela à son équivalent plus jeune) où ils rencontrent Scotty, alors affecté à la surveillance d'une station radar désuète en pénitence d'une expérience ratée. Spock livre à Scotty les formules qu'il aurait de toute façon découvertes plus tard afin de l'aider à se téléporter avec Kirk sur l'Enterprise. Une fois à bord, Kirk use des arguments du vieux Spock pour contraindre le jeune Spock à quitter son poste après l'avoir affaibli émotionellement. Kirk, qui avait été fait second officier par Pike, prend les commandes de l'Enterprise et met le cap sur la Terre où Néro a commencé à forer la croûte.
Avec l'aide de Sulu et de Chekov, Kirk met une stratégie au point qu'il met en branle, aidé par le jeune Spock qui a fini par se ressaisir. Le plan consiste à se téléporter en cachette sur le vaisseau de Néro et pendant que Kirk ira chercher Pike, toujours prisonnier, Spock prendra possession du vaisseau de son vieil équivalent afin de détruire le foreur.
Malgré quelques accrocs, le plan réussit. Furieux, Néro poursuit Spock alors en vitesse de distorsion. Ce dernier jette alors son vaisseau, toujours empli de Matière Rouge, sur le vaisseau de Néro alors qu'il est téléporté, de même que Kirk et Pike. Le trou noir généré avale le vaisseau minier et Néro qui refuse jusqu'au bout l'aide de Kirk, qui n'insiste pas beaucoup...
Grâce à l'expulsion du dilithium contenu dans les nacelles de distortion de l'Entreprise et l'explosion ainsi provoquée, une onde de choc permet a l'Entreprise de se dégager de l'attraction gravitationelle du trou noir formé par le vaisseau de Nero.
Une fois l'Enterprise sorti du champ d'attraction du trou noir, le vaisseau regagne la Terre où le jeune Spock surprend son équivalent plus âgé. Ce dernier n'est pas surpris car l'ordinateur du vaisseau vulcain l'a informé des événements passés. Le vieux Spock enjoint alors son jeune double de rester au sein de Starfleet, où il sait que son influence sera bénéfique sur Kirk, de même que l'influence de Kirk lui sera bénéfique, tandis que lui gagne une lointaine planète où les survivants de Vulcain ont fondé une colonie pour perpétuer leur civilisation.
Kirk est nommé capitaine de l'Enterprise à la place de Pike et part avec Spock nommé second de l'Enterprise pour la célèbre mission de cinq ans racontée dans la série originale.
