Вернувшись на Землю, экипаж «Энтерпрайза» сталкивается с тревожной правдой: устои их организации подорвались изнутри, а принципы, на которых держался флот, оказались подменены сомнениями и интригами. Силы обороны оказываются парализованы страхом и бездействием, в то время как мир утягивается в пропасть неопределённости, где каждый шаг может стоить жизни.
Капитан Кирк принимает на себя рискованную задачу — вывести на свет виновника хаоса, чьи преступления угрожают целому человечеству. Он ведёт команду через хитросплетения лжи и скрытых мотивов, понимая, что противник сильнее и коварнее, чем казалось на первый взгляд, и что победа потребует не только силы, но и непоколебимой воли.
В этом противостоянии на выживание ставки растут до предела: любовь, дружба и преданность проходят суровое испытание, ставя под угрозу всё, что дорого Кирку. Однако ради тех, кто остаётся рядом, он готов рискнуть всем — своей командой, своей верой в их совместное будущее и в способность преодолеть любую тьму ради общего спасения.
Сценаристы Роберто Орси и Алекс Куртцман объяснили, что дилеммой для сиквела был выбор — столкнуть экипаж с новым злодеем или же сделать «исследовательский научно-фантастический сюжет», как в сериале « Звездный путь » (1966-1969).
По словам Джей Джей Абрамса понятие путешествия во времени, которое было в предыдущем фильме, использовалось преднамеренно, для того чтобы иметь больший простор для работы над новыми фильмами: «То, что теперь мы не зависим от временного периода, позволяет нам использовать любые моменты прошлого, либо же придумывать совершенно новые для создания сюжета».
Хейли Этвелл и Тереза Палмер пробовались на роль Кэрол Маркус.
Бенисио Дель Торо предлагали роль Джона Харрисона, но в итоге актер отказался из-за денежных вопросов. Затем на эту роль рассматривались Демиан Бичир, Эдгар Рамирес и Хорди Молья, но в итоге она досталась Бенедикту Камбербэтчу.
Студия Paramount Pictures попросила режиссера Джей Джей Абрамса снять фильм в 3D. Однако Абрамс хотел снимать в 2D на пленку, используя камеры IMAX. В итоге они пришли к компромиссу, и результатом стало то, что этот фильм стал первым в истории кино снятым в IMAX-формате, а затем преобразованным в 3D на стадии пост-продакшна.