一艘巨大的外星无人探测器飞向地球，发出强大的电波信号，导致海水沸腾，干扰附近的星舰并造成广泛破坏。詹姆斯·柯克中将和他的船员完成了让斯波克上校复活的任务后，驾驶从克林贡人那抢来的猛禽舰返航，却面临被指控盗窃联邦星舰进取号并造成毁坏的军事法庭审判。在此时，正在康复的斯波克发现外星探测器正在尝试与地球上的座头鲸建立联系，但遗憾的是，这种鲸鱼早在三个世纪前就已经因过度捕捞而灭绝。
柯克下令猛禽舰利用太阳的引力弹射来到20世纪后期，抵达加利福尼亚州旧金山，将星舰隐藏在金门公园的一片草坪上。然后，他们开始寻找能与外星探测器沟通的鲸鱼，容器将其装载在星舰上，并找到能恢复猛禽舰能源供应的物质。最终，船员们成功利用时间旅行将鲸鱼带回未来，与外星探测器建立了联系，解决了危机。