USS Enterprise dikirim ke planet Nibiru untuk mengamati sebuah peradaban primitif. Kapten James T. Kirk melanggar Prime Detective saat nyawa Spock terancam. Akibatnya, kapal Enterprise terlihat oleh penghuni planet saat operasi penyelamatan dilakukan. Setelah dipulangkan ke Bumi, Kirk turun pangkat menjadi perwira pertama dan Laksamana Christopher Pike mengambil alih komando Enterprise. Keduanya menghadiri rapat darurat di Starfleet Command untuk membahas pengeboman instalasi rahasia Section 31 di London oleh mantan agen Starfleet, John Harrison. Rapat tersebut diserobot oleh serangan kapal tempur yang diawaki Harrison dan menewaskan Pike. Kirk menghancurkan kapalnya, namun Harrison kabur. Karena Pike meninggal, Kirk diangkat kembali sebagai kapten Enterprise. Setelah tahu Harrison kabur ke planet Klingon,Kronos, Kirk diizinkan Laksamana Alexander Marcus untuk memburu Harrison.Enterpirse dipersenjatai 72 puwarupa torpedo foton jarak jauh dan diperintahkan untuk diluncurkan ke lokasi Harrison setelah ditemukan.
Setibanya di Kronos, tim pencari yang terdiri dari Kirk, Spock, dan Uhura mendarat untuk menemukan Harrison, tetapi disergap oleh bangsa Klingon. Harrison menghabisi mereka semua dan menghadapi tim pencari, tetapi menyerah setelah mendengar jumlah torpedo foton yang diarahkan ke tempatnya. Di Enterprise, Harrison mengungkapkan identitas aslinya: Khan Noonien Singh, manusia super hasil modifikasi genetik yang dibangunkan dari tidur bekunya selama 300 tahun oleh Laksamana Marcus untuk mengembangkan senjata perang melawan Kekaisaran Klingon. Torpedo tersebut rupanya mengangkut tabung kriogenik yang berisi teman-temannya; mereka disandera oleh Marcus.
Enterprise langsung disergap oleh kapal tempur Federasi, USS Vengeance, yang dirancang Khan dan dipimpin Laksamana Marcus. Marcus meminta Kirk menyerahkan Khan, tetapi Kirk menolak. Enterprise terbang ke Bumi agar Khan diadili, namun diserangVengeance di orbit Bumi. Karena Enterprise rusak parah, Kirk menawarkan untuk menyerahkan Khan dan 72 tabungnya dengan imbalan nyawa awaknya, tetapi Marcus menolak dan meminta agar Enterprise dihancurkan. Vengeance tiba-tiba kehabisan daya akibat ulah Montgomery Scott yang diam-diam menyusup ke kapal setelah mengikuti koordinat yang disebutkan Khan melalui Kirk. Kirk bersama Khan naik kapal Vengeance, lalu menguasai anjungan. Khan mengkhianati Kirk, membunuh Marcus, dan mengambil alih Vengeance.
Khan bernegosiasi dengan Spock, mengirimkan Kirk dan rekan-rekannya kembali ke Enterprise dengan imbalan 72 torpedo, dan berencana menghancurkan Enterprise. Spock malah mengirimkan torpedo bersenjata ke Vengeance yang tabung-tabungnya sudah diamankan di Enterprise. Torpedo-torpedo tersebut melumpuhkan Enterprise dan kedua kapal yang rusak jatuh ke Bumi. Kirk menyesuaikan kembali inti warp Enterprise sehingga awaknya dapat mengendalikan kapal, namun ia keracunan radiasi. Vengeance jatuh di pusat kota San Francisco. Spock kemudian mengejar Khan yang melarikan diri. Leonard McCoy mengetahui bahwa darah Khan dapat menyelamatkan Kirk. Uhura mencegah Spock membunuh Khan dan mereka menangkapnya.
Setelah itu, Kirk selamat dan kembali berdinas sebagai kapten Enterprise. Khan dikunci di tabung kriogeniknya dan disimpan bersama tabung rekan-rekannya. Enterprise yang sudah diperbaiki diresmikan kembali dan berangkat dalam misi penjelajahan selama lima tahun.
