前作でスポックを救って、エンタープライズ号を自爆させてしまったカーク提督（ウィリアム・シャトナー）は責圧を問われて裁かれるため、クリンゴン軍の船を入手し、クルー共々地球へ向かった。一方、地球は、近づいた謎の探査宇宙船が放つ強烈なエネルギーのため、電波は荒れ、災害が続発し、暴風雨に襲われている。カークは探査船が発する音波をキャッチし、分析の結果、ザトウクジラの声と判明。23世紀には死滅したクジラを過去より連れて来、地球上にクジラが生存することを知らせないと、探査船は去らない。カークらは、クリンゴン船で20世紀にタイムスリップした。スポック（レナード・ニモイ）、マッコイ（デフォレスト・ケリー）、スールー（ジョージ・タケイ）、ウフーラ（ニシェル・ニコルズ）、チェコフ（ウォルター・ケーニッグ）、スコティ（ジェームズ・ドゥーアン）らは、20世紀のサンフランシスコに着き、カルチャーショックを味わいつつも、クジラ捕獲作戦を開始。クジラを乗せるための大水槽を作り、未来に帰るエネルギーを原子力空母より盗む。肝心のクジラは、水族館より、カークらが親しくなった海洋生物学者テイラー博士（キャサリン・ヒックス）の手助けで入手。カークらの行動に疑心暗鬼だったテイラーも、クジラのためには捕鯨される20世紀よりも23世紀の方が安全と判断しての協力だった。かくて、23世紀の嵐の海にクジラは放たれ、探査船は去り、地球に再び平和が戻る。そしてカークの裁判も単なる格下げに終わり、人々は地球を救ったヒーロー、カークをたたえた。