No século XXIII, o almirante James T. Kirk (William Shatner) enfrenta uma crise de meia-idade enquanto se ocupa de treinar cadetes em simuladores. Paralelamente uma respeitada cientista, Carol Marcus (Bibi Besch), ex-namorada de Kirk, está envolvida no Projeto Gênese, que pode dar vida a planetas sem nenhuma forma de vida e também ser uma arma terrível em mãos erradas, pois se usada onde já havia vida todas as formas de vida serão extintas, dando lugar a uma "nova matriz". O capitão da Reliant, Terrell (Paul Winfield), e Chekov (Walter Koenig) sondam um planeta pensando que é Ceti Alfa 6, para ver se este é ideal para o projeto. Chekov percebe que algo está errado e avisa Terrell, mas logo os dois são feitos prisioneiros de Khan (Ricardo Montalban), que é inimigo de Kirk há 200 anos. Eles estão mesmo é em Ceti Alfa 5 e Khan mostra aos seus prisioneiros a única forma de vida que restou no planeta. Ao pegar dois filhotes, avisa para Terrell e Chekov que colocará cada um deles nos seus ouvidos, pois os filhotes vão se alojar no córtice cerebral e, como resultado, a vítima fica extremamente suscetível a sugestão e, posteriormente, a loucura e a morte. Enquanto isso, na Enterprise, Kirk parte em uma viagem de treinamento com os novos cadetes, mas a Dra. Marcus está sob tensão, pois do Reliant Chekov entrou em contato com ela dizendo que retornará em três dias (e não em três meses). Além disto Chekov diz que deixou Ceti Alfa 6 e que quando chegar em Regula Um, onde está Carol, todo o material do Gênesis deverá ser dado para a Reliant, para ser testado em Ceti Alfa 6. Ela considera isto tudo irregular, mas Chekov afirma que recebeu novas ordens do comandante Kirk. Carol tenta falar com Kirk, mas a transmissão sofre interferência e ela não tem como negar a veracidade da ordem. Entretanto, Kirk sente que algo errado está acontecendo e, como é a única nave do quadrante, terá de apurar o que está havendo, mesmo que parte da sua tripulação seja de novatos. Assim se vê obrigado a reassumir a Enterprise, sendo que Khan por sua vez fará tudo para conseguir o Gênese, pois nas suas mãos se tornará algo terrível para qualquer um que o desafie.