En 2285, au cours de leur mission de sauvetage sur Genesis, l'Enterprise a été détruit. C'est donc aux commandes d'un oiseau de proie Klingon volé que Kirk, Spock, McCoy, Sulu, Uhura, Chekov, Scotty et Saavik sont revenus sur Vulcain. Ils décident alors de rentrer sur Terre pour être traduits en cour martiale. Mais une surprise de taille les attend à leur retour... La Terre est sous la menace d'une curieuse sonde extraterrestre qui émet des signaux qui semblent correspondre aux chants des baleines à bosse, toutes disparues à cette époque. Kirk et son équipage devront entreprendre un périlleux voyage dans le temps pour tenter de ramener un couple de ces baleines à bosse avant que la sonde ne détruise la Terre. À en juger par la pollution, l'équipage arrive à la fin du xxe siècle...

Alors que Spock, le capitaine Kirk et l'équipage de l'USS Enterprise escortent le chancelier Gordon jusqu'au centre de conférence où il doit signer un accord de paix avec l'Empire klingon, leur vaisseau est attaqué et le chancelier est abattu. Chang, un général Klingon, accuse Kirk, qu'il envoie en compagnie de McCoy sur l'astre de glace Rura Penthe. Spock ne dispose que de quelques jours pour sauver son ami et rétablir la paix menacée....