Na Vulkanu opravuje posádka svou H.M.S. Bounty, ukradenou klingonskou loď (viz Star Trek III: The Search for Spock), a připravuje se k odletu na Zemi, kde ji očekává soud. Na poslední chvíli se k nim přidává Spock, který po úspěšně provedeném rituálu fal-tor-pan opět plně ovládá své intelektuální kapacity.

Z hlubin vesmíru v té době přilétá sonda, která vysává energii všem lodím a stanicím, s nimiž se setká, a míří přímo k Zemi. Z oběžné dráhy kolem Země začíná vypařovat na pozemské oceány, takže se Země zahaluje do neproniknutelných těžkých mraků, dramaticky klesá teplota a energetické rezervy se rychle vyčerpávají. Komunikace se sondou je nemožná. Situace se zdá být fatální, a tak prezident Rady Federace prohlašuje na radu Sareka, který se opět vrátil na Zemi do svého úřadu, Zemi za planetu v karanténě, které se všechny lodě musí vyhýbat.

Tuto výzvu zachytí Bounty cestou na Zemi. Spock po analýze signálu sondy usoudí, že odpovědět jí je nemožné, protože se obrací k velrybám, které jsou na Zemi ve 23. století již vyvražděny. admirál Kirk dlouho neváhá a rozhoduje se, že se vydá proti času do 20. století, aby odtamtud přivezl velrybu, která by budoucnost Země mohla zachránit.

Po úspěšném průletu kolem Slunce přistává zamaskovaná Bounty v San Francisku v Golden Gate Parku. Admirál Kirk posádku rozdělí na několik skupin. Dr. McCoy, Scotty a Sulu mají za úkol postavit nádrž pro velryby, Uhura a Chekov musí najít atomový reaktor a nashromáždit z něho unikající částice na opravu dilithiových krystalů poškozených cestou časem a Kirk se Spockem jdou hledat velryby. V Institutu kytovců objeví párek velryb, George a Gracii. Spock s jednou z nich prolne mysl a získá jejich souhlas s celým projektem.

Pak se ale věci začínají komplikovat: Chekov je vážně zraněn při útěku z atomové lodi Enterprise, obě velryby jsou vypuštěny do oceánu a tajemství posádky odhaluje dr. Gillian Taylorová, která je rozhodnutá zachránit svoje velryby za každou cenu.

Bounty nakonec transportuje velryby z oceánu přímo před nosem velrybářské lodi a vydává se zpět do svého času. Velryby vyplují do sanfranciského zálivu a začnou zpívat – komunikovat se sondou, která téměř okamžitě přeruší svůj útok na Zemi a odletí.

Admirál Kirk a všichni jeho kolegové – včetně Spocka, který z ničeho obviněn není – stanou před soudem. Pod dojmem jejich hrdinské záchranné akce jsou všech obvinění zproštěni. Pouze Kirk je potrestán degradací na hodnost kapitána – a celá posádka je přidělena na zbrusu novou loď – Enterprise-A.