Ce qui suit dévoile des moments clés de l’intrigue.
L'USS Enterprise reçoit un appel de détresse venant d'un vaisseau terrien, le Kobayashi Maru, provenant de l'intérieur de la zone neutre. Le commandant de l'Enterprise, le Lieutenant Saavik, décide d'enfreindre le traité de paix avec les Klingon pour sauver l'équipage en péril. Il s'avère que l'appel de détresse était un piège, et des vaisseaux de guerre klingons attaquent l'Enterprise et finissent par le détruire.
Tout ceci n'était qu'une simulation, destinée à évaluer les capacités de Saavik, recrue toute fraîche de l'académie de Starfleet, dans la gestion d'une situation désespérée. L'évaluateur n'est autre que l'Amiral Kirk, seule personne à avoir réussi ce même test.
Kirk est en fait chargé de l'inspection en règle de l'Enterprise, commandé par le Capitaine Spock, qui est devenu le navire-école de Starfleet.
À des années-lumières de là, l'USS Reliant patrouille à la recherche d'une planète sujette à l'expérimentation d'une nouvelle forme de terraformation. Le commandant en second, le lieutenant Pavel Chekov, se téléporte avec son supérieur sur la surface de Ceti Alpha VI, une planète potentielle où ils ont découvert une embarrassante trace de vie. Il s'avère que cette planète est en réalité Ceti Alpha V, Ceti Alpha VI ayant explosé, déplacé l'orbite de cette dernière et détruit son écosystème, et que cette trace de vie est un ancien équipage humain, abandonné sur la planète par le capitaine Kirk (lors d'un episode de la première saison de la série originelle nommé "Space seed"). Le chef est Khan Noonien Singh, enfant de l'eugénisme de la fin du XX siècle. Il ne cherche que vengeance envers Kirk qui a déjoué ses plans, et soumet Chekov à l'aide d'un parasite qu'il fait pénétrer dans son cerveau. Maître du Reliant où il installe ses hommes avec le capitaine et Chekov, sans que Starfleet n'en sache rien, il se dirige vers la station scientifique Regula 1 pour s'accaparer le système de terraformation, le projet Genesis.
Peu avant, la dirigeante de la station, Karol Marcus, lance un appel inquiet à James Kirk, son ancien compagnon et père de son fils. Avec la recommandation de Spock, Kirk prend le commandement de l'Enterprise et se dirige vers Regula pour garantir que le projet ne sera pas récupéré par les militaires (Chekov avait invoqué ce prétexte pour voler Genesis). Étudiant le projet, il découvre que Genesis est une torpille qui, une fois lancée sur une planète, détruit tout ce qui existe pour élaborer une nouvelle matrice, qui crée une toute nouvelle planète dotée d'une grande diversité biologique en quelques jours.
Khan l'intercepte en chemin, et profite de l'apparence amicale de son vaisseau pour détruire une grande part des systèmes vitaux de l'Enterprise avant d'obliger Kirk à se rendre. L'amiral refuse en lui-même l'échec et trouve une parade : l'ordinateur de l'Enterprise dispose du code des boucliers du Reliant. Sans que les hommes de Khan puissent y faire quelque chose, les boucliers du Reliant sont abaissés et l'Enterprise tire.
Le Reliant se dégage, remettant l'affrontement à plus tard. L'Enterprise, mal-en-point, décide néanmoins d'aller jusqu'à la lune de Regula. L'équipage y découvre une station spatiale morte. Les seuls survivants sont Chekov et son capitaine, abandonnés par Khan. Une rapide enquête permet à Kirk de trouver où sont passés les scientifiques manquant : le téléporteur de la station les a emmenés au cœur de Regula. Il décide avec ses subordonnés de s'y rendre et découvrent la réalisation d'une étape de Genesis : toute une immense caverne foisonnante de vie végétale, bâtie en un seul jour. Ils y découvrent également Karol Marcus et son fils David.
Kirk avait dupé Khan, qui écoutait ses conversations avec Spock resté sur l'Enterprise, et qui croyait se débarrasser du vaisseau pour laisser son ennemi sur la lune morte. Il reprend les commandes et décide d'affronter le Reliant, qui a fini par voler la torpille Genesis. Pour compenser l'infériorité de l'Enterprise face à un vaisseau quasiment intact, il décide de plonger dans la nébuleuse de Mutara, où boucliers et systèmes tactiques sont inopérants. S'engage alors un combat en aveugle, entre la solide connaissance des combats spatiaux de Kirk et l'intelligence eugénique de Khan.
Kirk finit par l'emporter grâce à une tactique impliquant l'ensemble de l'espace de combat (en trois dimensions, contrairement à Khan qui ne pense pas que l'Enterprise ait pu l'esquiver en plongeant sous son vaisseau). Khan, cherchant la vengeance jusqu'à son dernier souffle, actionne la torpille Genesis. Toute la nébuleuse sera soufflée et l'Enterprise, privée de propulsion superluminique, sera détruite. Spock, faisant appel à sa logique vulcaine (le bien de tous prime sur celui d'un seul) décide de se sacrifier en réparant la propulsion à la racine du mal, s'exposant à des radiations mortelles.
L'Enterprise se sauve in extremis du piège de Khan, qui meurt seul. Genesis est créée, et Kirk y envoie le sarcophage contenant le corps de son ami vulcain.
