時は23世紀。惑星連邦の宿敵クリンゴンの月プラクシスが大爆発し、その半分以上が吹き飛んだ。これによりクリンゴンの大気は汚染され、あと50年で惑星は滅びてしまう。そこでクリンゴン帝国宰相ゴルゴン（デイヴィッド・ワーナー）は惑星連邦に講和の申し入れをしてきた。連邦はゴルコンの護衛にUSSエンタープライズを指名し、カーク艦長（ウィリアム・シャトナー）以下乗組員がその任にあたる。しかしカークは我が子をクリンゴンに殺された恨みから、ゴルコンを信じることができない。そんな折、ゴルコンの乗る船が襲撃された。光子魚雷を発射したのは、なんとエンタープライズ！しかし、カークはそんな命令をした覚えはない。混乱の中、ゴルコンは何者かに暗殺され、カークとドクター・マッコイ（ディフォレスト・ケリー）はその犯人として流刑惑星ルラペンテでの終身刑を言い渡されてしまった。ゴルコンの娘アゼトバーは、父の遺志を継いで和平交渉の使者となる。一方エンタープライズ内では、ミスター・スポック（レナード・ニモイ）が事件の調査を開始。その結果、光子魚雷を発射したのはクリンゴンの透明偽装装置を備えたバード・オブ・プレイと判明。さらに惑星連邦内とエンタープライズ内にクリンゴンと結託して、和平交渉を防害しようとする者がいたことも分かった。カークらはエンタープライズに救出され、エクセシオールの協力を得て、アゼトバー暗殺計画を阻止。かくして惑星連邦とクリンゴンとの和平は成立し、宇宙に真の平和が訪れるのであった。