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不久，柯克官復原職，而倫敦發生了一起死亡超過四十人的恐怖襲擊事件。該事件的始作俑者約翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇Benedict Cumberbatch 飾）正來自聯盟內部。此後他駕駛飛機襲擊了高層會議，柯克最為敬重的派克將軍不幸遇難。為了阻止哈里森的外逃陰謀，柯克重新率領企業號啟程追擊。危機重重的旅途，他和艦員、朋友之間的信任也受到巨大考驗。當他們最終找到哈里森，才終於知曉他的真實身份，以及倫敦襲擊事件背後的陰謀和黑幕。