Após Spock (Leonard Nimoy) ter sido resgatado, o almirante James T. Kirk (William Shatner) e sua tripulação decidem voltar à Terra, para enfrentar as acusações por participarem de uma missão não-autorizada e roubarem a U.S.S. Enterprise. Porém, repentinamente os acontecimentos tomam um outro curso, pois a Terra, no século XXIII, recebe uma estranha “visita” quando uma sonda espacial aparece e emana sons estranhos para a planeta, aparentemente esperando por uma resposta. Com o passar do tempo, a sonda começa a causar grandes tempestades, ameaçando a destruição da Terra, pois está ionizando a atmosfera e as fontes de energia entraram em colapso. Além disto as naves em órbita estão inoperantes e a sonda está vaporizando os oceanos. Kirk e sua tripulação são avisados que a humanidade perecerá se não for achado um meio de responder a sonda. Spock então conclui que o som é o canto das baleias-jubartes, em uma tentativa de se comunicar com estes cetáceos. Porém, como elas foram extintas no século XXI, nunca haverá resposta e a Terra está com os dias contados. Assim só resta uma saída para Kirk e sua tripulação resolverem este gravíssimo problema: voltar no tempo até o século XX, pegar um casal de baleias-jubartes e levá-las até o século XXIII, onde eles poderão responder à sonda e assim salvar o planeta.
