Dzielna załoga Enterprise musi zmierzyć się z zagrożeniem dla całej Federacji, które, jak się okazuje, ma swoje źródło w jej własnych szeregach. Kapitan Kirk (Chris Pine), mając również prywatne rachunki do wyrównania, dowodzi polowaniem na człowieka będącego jednoosobową bronią masowej zagłady. Droga wiedzie do rozdartego wojną świata, gdzie przyjaźń i lojalność Kirka oraz jego załogi będzie wystawiona na ciężką próbę.

Statek kosmiczny USS Enterprise zostaje wysłany na odległą planetę Nibiru. Naukowcy mają obserwować miejscową przyrodę i prymitywną cywilizacje, ale orientują się, że olbrzymi wulkan zagraża życiu mieszkańców globu. Załoga statku desperacko próbuje powstrzymać erupcję. Niebezpieczna misja sprowadza na komandora Spocka (Zachary Quinto) śmiertelne niebezpieczeństwo. Wbrew pierwotnym planom kapitan, James T. Kirk (Chris Pine), musi ujawnić obecność swojej jednostki tubylcom, by ocalić ich i Spocka. Po powrocie na Ziemię Kirk melduje się u admirała Christophera Pike'a (Bruce Greenwood). Zwierzchnik uznaje, że misja zakończyła się klęską i odbiera dowództwo Kirkowi. W tym samym czasie tajemniczy agent Gwiezdnej Floty Federacji, John Harrison, detonuje bombę w biurze Sekcji 31, tajnej rządowej agencji wywiadowczej.

Załoga statku kosmicznego USS Enterprise po wykonaniu kolejnego zadania wraca na Ziemię. Kapitan James T. Kirk (Chris Pine) zostaje obarczony winą za złamanie regulaminu przez pierwszego oficera Spocka (Zachary Quinto), który składa na niego raport. W efekcie Kirk traci dowództwo nad statkiem. Tymczasem w Londynie dochodzi do ataku na ważne rządowe archiwum. Sprawcą jest John Harrison (Benedict Cumberbatch), jeden z agentów Gwiezdnej Floty. Kiedy dowódcy zbierają się, by przedyskutować zagrożenie, Harrison niespodziewanie atakuje pomieszczenie. Ginie wielu oficerów Floty, w tym admirał Pike (Bruce Greenwood), przyjaciel Kirka. Ten chce pomścić jego śmierć i prosi o przywrócenie dowództwa nad USS Enterprise i zgodę na pościg za Harrisonem.

Kiedy bezwzględny geniusz znany jako Khan (Benedict Cumberbatch) wypowiada wojnę Federacji, Kapitan Kirk (Chris Pine), Spock (Zachary Quinto) wraz z całą nieustraszoną załogą U.S.S. Enterprise wyruszają na największą, najbardziej wybuchową obławę w swej historii. Wykorzystają wszystkie możliwości bogatego arsenału, by obronić Ziemię i wyeliminować śmiertelne zagrożenie, jakie stanowi Khan.

Tym razem wraz z młodymi oficerami jednostki kosmicznej wyruszymy "W ciemność" - najniebezpieczniejszą do tej pory wyprawę "Star Trek". W filmie ponownie zobaczymy załogę, która bawiła widzów w 2009 roku w uwspółcześnionej wersji starego filmowego przeboju. Podczas kolejnej wyprawy akcja zdecydowanie nabiera tempa, a gra zaczyna toczyć się o coraz wyższa stawkę. Jednostka kosmiczna Enterprise zostaje wciągnięta w wir zawrotnej gry na śmierć i życie z nieposkromionymi siłami zniszczenia. W tej grze cała załoga, którą dowodzi Kapitan Kirk zostanie wystawiona na próbę, a jednocześnie będzie to test dla siły przyjaźni, miłości i poświęcenia. Akcja zaczyna nabierać tempa wraz z powrotem statku do bazy na ziemi. Powodem tego jest zastanawiający incydent, który miał miejsce w galaktyce i powstrzymuje Kapitana od wyruszenia w kolejną, pokojową misję badawczą. Jednak na Błękitnej Planecie sprawy mają się coraz gorzej. Zaskakujący akt terroryzmu obnażył budzący niepokój fakt:  Gwiezdna Flota jest atakowana przez wewnętrznego wroga, co może wywołać kryzys na całym świecie. Zadaniem Kapitana Kirka jest poprowadzić Enterprise na bezprecedensową misję, której zadaniem jest stawienie czoła szerzącej się destrukcji. Nie jest to jednak łatwa misja, ponieważ wróg czai się na pokładzie statku i posiada ogromną moc niszczenia. Sam Kirk będzie musiał zmierzyć się z widmami własnych wątpliwości - które cienką linią oddzielają przyjaciół od wrogów, zemstę od sprawiedliwości oraz otwartą wojnę od siły wspólnej przyszłości.

Kapitan Kirk (Chris Pine) i jego podwładni zostają wysłani na odległą planetę z misją obserwacyjną. Na miejscu okazuje się, że aby pomóc tubylcom i ocalić będącego w niebezpieczeństwie komandora Spocka (Zachary Quinto), muszą złamać regulamin. Jest to powodem degradacji kapitana Kirka. Tymczasem w Londynie dochodzi do nieoczekiwanego ataku na dowództwo Federacji. Kapitan Kirk stara się o ułaskawienie, by wraz z załogą udać się w pościg za niebezpiecznym Khanem (Benedict Cumberbatch), agentem Gwiezdnej Floty. Tropy prowadzą do krainy ciemności, w której lojalność załogi zostanie wystawiona na próbę.