Admiraal Kirk is verbonden aan de Starfleet Academie, terwijl Spock het commando heeft over de Enterprise en tegelijkertijd rekruten opleidt. Ondertussen komt Chekov, die met zijn nieuwe collega's aan boord van de Reliant het supergeheime Genesis-project begeleidt, een oude vijand tegen: Khan Noonian Singh.

De film bestaat uit een scène waarin een stoomtrein op het station van La Ciotat aankomt. Diagonaal komt er een spoorlijn in beeld met op het perron reizigers, wachtend in hun zondagse pak. Een bagageloper loopt op de camera af. De stoomlocomotief nadert en houdt links in beeld stil, waarna reizigers uitstappen en anderen zich klaarmaken om in te stappen. Het verhaal gaat dat tijdens de eerste vertoningen het publiek in paniek wegdeinsde en er een massahysterie zou zijn ontstaan. De mensen begrepen niet wat ze zagen en waren daadwerkelijk bang dat ze werkelijk overreden zouden worden. Dit verhaal was destijds in de wereld geholpen om publiciteit voor de film te genereren.

Het lichaam van Spock rust op de nieuwe Genesisplaneet, maar Kirk vindt absoluut geen rust nu zijn beste vriend hem heeft verlaten. Zeker niet als hij ontdekt dat Spocks eeuwige ziel op McCoy is overgedragen en er nog steeds kans blijkt te zijn op Spocks redding. Tegen alle regels in kaapt hij de Enterprise om samen met de nu zeer onevenwichtige McCoy naar Genesis af te reizen.