1939년 바르샤바. 그다지 유명하지 않은 배우인 조셉 투라와 폴란드에서 전국적으로 유명한 그의 아내 마리아는 반나치적인 연극을 공연하기로 하지만, 검열 때문에 뜻을 이루지 못하고 햄릿으로 대체하게 된다. 한편 젊은 파일럿인 스타니슬라프 소빈스키 중위는 마리아를 사랑하게 돼 밤마다 꽃을 보낸다. 마리아는 그에 대한 보답으로 분장실로 그를 초대해 조셉 모르게 둘만의 시간을 갖는다. 그러던 중 독일군이 폴란드를 침입하게 되고, 소빈스키 중위는 영국 공군 내의 폴란드 기병대로 근무하게 된다. 그곳에서 소빈스키 중위는 알렉산더 실레트스키 교수란 사람을 알게 되는데...

1955년에 남겨진 마티는 박사의 흔적을 찾는다. 브라운 박사가 1855년으로 갔음을 알게 되고, 폐광 속에 숨겨져 있던 드로리안을 찾아낸다. 1855년의 서부에 도착한 마티는 드로리안의 고장으로 곤경에 빠지지만, 맥플라이 가문의 선조인 세이머스와 매기 부부의 도움을 받고 박사도 만난다. 고장 난 드로리안으로 시간 여행을 하기위해서는 그에 달하는 속도가 유지되어야 하고, 박사와 마티는 그 속도를 얻기 위해 기관차를 이용할 위험한 계획을 세운다. 하지만 박사는 여교사인 클라라와 사랑에 빠져서 그 시대에 남고 싶어한다.

24세기. 기계인간 보그 집단은 우주 연방의 영토를 침입한 후 지구로 향한다. 우주전함 엔터프라이즈호의 함장 피카드는 중립지대를 정찰하라는 본부의 명령을 하달 받지만, 보그와 전투를 벌이던 다른 전함의 지원요구에 위험을 불사하고 전장으로 이동한다. 결국 피카드는 다른 전함과 힘을 합해 저항하는 보그 함대를 궤멸시킨다. 그러나, 비상탈출에 성공한 보그 퀸을 비롯한 일부 보그들은 시간여행을 통해 2063년의 지구로 향한다. 2063년 4월 4일, 시간 여행을 통해 지구 상공에 도착한 보그들은 몬타나에 주재해있는 미사일 기지에 대대적인 공격을 퍼붓는다. 이 날은 인류가 외계와 처음으로 만나는 계기가 됐던 초광속 우주선 "피닉스"의 발사를 하루 앞둔 날로 보그들은 이 우주선을 파괴해, 우주연방 창설의 계기가 됐던 인류와 외계의 첫 만남을 좌절시켜, 우주의 역사를 뒤바꾸기 위함이었다. 보그들의 움직임을 주시하던 피카드는 보그들의 음모를 파악하고 시간여행을 통해 엔터프라이즈호를 2063년의 지구 상공으로 이동시킨다. 그리고 지구를 공격하는 보그 일당을 물리치고, 지상으로 내려와 손상된 "피닉스"호를 점검한다. 그러나 세계 제3차 대전으로 폐허가 되다시피 한 2063년의 인류는 미래에서 온 피카드 일행의 이야기를 믿지 못하고 "피닉스"호의 발사가 얼마나 중요한 일인지도 알지 못한다. 게다가 전멸한 것으로 알았던 보그 퀸을 비롯한 보그 일당이 손상된 보호막을 뚫고 엔터프라이즈 호에 침입한다. 전함에 이상이 발생했다는 보고에 보그들의 침입을 직감한 피카드는 지상에 피닉스 발사를 위한 일부 인원을 남기고 엔터프라이즈로 돌아온다. 그리고 피카드는 고민 끝에 자신의 우주선과 함께 보그를 파괴하기로 결심한다. 모두들 엔터프라이즈호를 떠나가자 피카드는 보그 여왕에게 잡혀있는 부하 로봇 데이터를 구하러 가지만, 오히려 데이터의 기지로 목숨을 건진다. 곧 지구에서 발사된 광속 우주선이 광속 비행을 마치고 무사히 귀환하자 우주 조사단이 지구인과 역사적인 ‘첫 만남’을 갖는다.