一艘神秘的外星探测器逼近地球，它发出的致命电波正在摧毁一切。星际舰队发现，这个宇宙来客竟在呼唤早已灭绝的座头鲸。时间紧迫，柯克船长带领船员铤而走险——驾驶抢来的克林贡战舰穿越时空，回到20世纪的旧金山。他们必须在1986年找到最后两头座头鲸，并设法将它们带回未来。但能源即将耗尽，现代社会的种种限制让他们举步维艰。与此同时，斯波克正在艰难地找回自己的人性情感，而船员们还要面对返回后的军事审判。这是一场与时间的赛跑，一次跨越三百年的救援。当外星探测器即将毁灭地球，当座头鲸的歌声成为唯一希望，这群时空穿越者能否完成这看似不可能的任务？