Kirk ve ekibi Dünya gezegeninde yargılanmayı beklemektedir. Suçları Yıldızgemisi Atılganı kaçırmaktır (Uzay Yolu 3). Ancak birdenbire yeni bir maceraya sürükleneceklerdir.Uzaydan gelen bir nesne dünyayı yoketmek istemektedir çünkü çok uzun zamandır iletişim kurduğu bir uzaylı memeli türün 23. yüzyılda soyu tükenmiştir. Garip bir şekilde bu canlı türünün dev balinalar olduğu ortaya çıkar.Kirk, Spock ve ekibin geri kalanı 1986 yılının San Fransiscosuna zaman yolculuğu yaparlar. Burada kültür şoku yaşayan kahramanlarımız bir yandan kimliklerini gizlemek bir yandan da yanlarında geleceğe götürmek için dostcanlısı bir balina bulmak zorundadır.

Ted "Theodore" Logan (Keanu Reeves) ve Bill S. Preston (Alex Winter), tarih dersinden ve bu şekilde üniversiteden mezun olmak için bir araştırma yapmak zorundalar. Rufus isimli biri, gelecekten bir telefon klubesinin içine yolculuk ediyor ve onlara, varlıklarının insanoğlunun geleceği açısından çok önemli olduğunu anlatıyor. Böylece Bill ve Tedd, zaman içerisinde yolculuğa çıkıyorlar.