L'équipage de l'Entreprise a vieilli et s'est séparé. Spock a pris le commandement du vaisseau, alors que le Capitaine Kirk, promu Amiral, dépérit à un poste purement administratif. Alors que Kirk déprime à l'approche de son anniversaire, son ancien pilote, Chekov, et le Capitaine Terrel, officier de la Fédération des Planètes Unies, supervisent le déclenchement de l'expérience Génésis, permettant de créer la vie sur une planète morte. Ils explorent à cet effet Ceti Alpha 5. Chekov y retrouve un vieil ennemi de Kirk, qui l'a exilé sur cette planète. Khan s'empare de leur navire et entend se venger de son ennemi.

Amiral James T. Kirk (William Shatner) : Héros vieillissant.

Capitaine Spock (Leonard Nimoy) : Adepte de la logique.

Docteur McCoy (DeForest Kelley) : Ami de Kirk.

Khan Noonien Singh (Ricardo Montalban) : Assoiffé de vengeance.

Lieutenant Saavik (Kristie Alley) : Pupille de Spock.

Carol Marcus (Bibi Besch) : Savante, ancienne "relation" de Kirk.

David Marcus (Merritt Butrick) : Fils d'un certain Amiral.