在尼比鲁星球探查期间，企业号舰长柯克（克里斯·派恩Chris Pine 饰）为营救史波克（扎克瑞·昆图 Zachary Quinto 饰）采取了胆大妄为的举动，几乎危及全舰队员的生命，他也为此付出代价。不久，柯克官复原职，而伦敦发生一起死亡超过四十人的恐怖袭击事件。该事件的始作俑者约翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 饰）正来自联盟内部。此后他驾驶飞机袭击了高层会议，柯克最为敬重的派克将军不幸遇难。为了阻止哈里森的外逃阴谋，柯克重新率领企业号启程追击。危机重重的旅途，他和舰员、朋友之间的信任也受到巨大考验。
当他们最终找到哈里森，才终于知晓他的真实身份，以及伦敦袭击事件背后的阴谋和黑幕……

战斗中负伤而下身瘫痪的前海军战士杰克·萨利（萨姆·沃辛顿 Sam Worthington 饰）决定替死去的同胞哥哥来到潘多拉星操纵格蕾丝博士（西格妮·韦弗 Sigourney Weaver 饰）用人类基因与当地纳美部族基因结合创造出的 “阿凡达” 混血生物。杰克的目的是打入纳美部落，外交说服他们自愿离开世代居住的家园，从而SecFor公司可砍伐殆尽该地区的原始森林，开采地下昂贵的“不可得”矿。在探索潘多拉星的过程中，杰克遇到了纳美部落的公主娜蒂瑞（佐伊·索尔达娜 Zoe Saldana 饰），向她学习了纳美人的生存技能与对待自然的态度。与此同时，SecFor 公司的经理和军方代表上校迈尔斯（史蒂芬·朗 Stephen Lang 饰）逐渐丧失耐心，决定诉诸武力驱赶纳美人……