Le vaisseau spatial "Enterprise" revient à son amarrage après que l'amiral Kirk a laissé sur une planète fertilisée artificiellement le corps de son second, Spock, qui s'est sacrifié pour sauver l'appareil. Le père de Spock, ambassadeur de la planète Vulcain, exige que le cadavre de son fils soit ramené sur son astre natal. Kirk se plie à ses exigences, d'autant qu'il a constaté que l'esprit du défunt semble survivre en la personne du médecin du bord, le docteur McCoy. Avec une petite équipe, il remet l'"Enterprise" en marche en dépit de la défense formelle des autorités légitimes. Avant d'atteindre son but, il lui faut affronter des ennemis irréductibles, les Klingons.