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23世紀。エンタープライズ号のブリッジを模したセットで、訓練生のトレーニングが行なわれていた。船長をつとめるのは、バルカン星人とロミュラン星人の混血女性のサーヴィク（カースティ・アレイ）。今日はジム・カーク提督（ウィリアム・シャトナー）の誕生日、スポック（レナード・ニモイ）は本をおくり、船医のマッコイ（デフォレスト・ケリー）は、「デスクワークではなく、宇宙船の指揮をとるように」と忠告する。セティ・アルファＶ星で生物の存在が感知され、リライアント号のテレル艦長とチェコフ副長が調査におもむく。そこで、2人は数十人のグループに囲まれる。彼らのリーダー、カーン（リカルド・モンタルバン）は20世紀の優生人間で、宇宙を漂流していたところをエンタープライズに救助されたが、恩知らずにもエンタープライズを乗っ取ろうとして失敗。15年前にこの星に追放され、以来、カーンは復讐の思いに燃えていたのだ。その頃、カーンはエンタープライズ号の閲兵をしていた。ジェネシス計画の責任者キャロル・マーカス博士（ビビ・ベシュ）の連絡が途中でとだえたことから、カークが調査のためエンタープライズの指揮をとることになった。ジェネシス計画とは、無生物状態から生物を創り出すというもので、最終段階では惑星全体で実験されることになっていた。エンタープライズ号は、リライアント号からの攻撃を受けるが、カークの素早い判断で逃走に成功。カーク、サーヴィクらは空間移動して、マーカス博士らのいる小惑星レギュラーに移る。カークはそこでキャロルとの間に生まれた息子デイヴィッドに会う。テレルはカーンの命令を受けてカークを殺そうとするが、できず、自殺する。やがて、カークらはエンタープライズ号にもどった。エンタープライズとリライアントは、ともにムタラ星雲に入り、戦う。カークの頭脳プレイでリライアント号を撃破。だが、エンタープライズの主カパワーがやられた。カーンがジェネシスを爆発させた。これに巻きこまれると、エンタープライズも終りだ。スポックは放射能を浴びながら、エンジンを修理する。スポックの尊い自己犠牲により、エンタープライズは救われた。スポックの棺は、ジェネシスのおかげで生まれ変わった星に漂着するのだった。