一艘巨大的外星無人探測器向地球航來，它不斷地發出奇特的電波信號：功率強大的信號煮沸了海水，干擾了附近的星艦並造成了廣泛的破壞。此時，詹姆士·寇克中將與他的船員們在完成了讓史巴克上校復活的任務後，駕駛著從克林貢人那搶來的猛禽艦（被改名為「賞金號」）從瓦肯星返航，儘管他們已經知道了將面臨軍事法庭的指控：他們被指控盜竊了聯邦星艦企業號，並對她的毀壞負有責任。在此關頭，尚在恢復中的史巴克發現這艘外星探測器正嘗試與地球上的座頭鯨建立聯繫；但不幸的是，早在3個世紀前座頭鯨就因過度的捕獵而滅絕了。

寇克命令「賞金號」進入引力彈射狀態，利用太陽的萬有引力而穿越時空來到20世紀後期。星艦於1986年抵達了美國加利福尼亞州的舊金山市，船員們將星艦藏在金門公園的一處草坪上。此後，他們開始尋找能與外星探測器溝通的鯨魚、能將鯨魚裝在星艦上的容器，以及能讓猛禽艦恢復能源供應的物質——在星艦穿越時空的旅途中能源幾乎被耗盡。寇克與史巴克最終獲得了一位鯨類專家吉莉安·泰勒博士的協助，她在索薩利托市鯨魚協會照料兩頭座頭鯨。

在經歷了許多的困難後——包括讓泰勒相信他們的確來自未來——企業號的船員們成功地營救了兩頭座頭鯨，並將它們帶到未來，及時地拯救了地球。