После возвращения домой с Вулкана на захваченном клингонском судне капитан Кирк и его команда готовятся к худшему развитию событий. Долг перед космической флотовой этикой выполнен, Спок возродился и вновь служит рядом, однако радоваться не приходится: прошлые прегрешения давят на каждого, всплывая в памяти в тревожном свете. Неподчинение приказу, захват «Энтерпрайза» с последующим его устранением из строя и саботаж «Эксельсиора» заставляют команду гадать, что может поджидать Землю, если беда уже близко.
Но реальность оказывается ещё жестче: к планете приближается гигантский незнакомый корабль, посылающий сигналы на языке китов — языком, которым в XXI веке пользовались лишь доисторические млекопитающие. Странный звездолет влияет на климат, вызывая непрерывные ливни, штормы, смерчи и торнадо по континентам планеты. Анализ ситуации подсказал, что возвращение китов в нашу эпоху способно вернуть равновесие погодной системе и предотвратить надвигающийся глобальный кризис.
Кто же сможет сотворить такое чудо? Естественно, капитан Кирк и его команда готовы рискнуть ради спасения мира. Они принимают решение отправиться в прошлое, чтобы найти китов и привести их в будущее. Их путь начинается…
К началу съёмки финальная версия сценария имела 5 различных вариантов окончания фильма.
Это первый фильм сериала, снятый с использованием натурных съёмок — первые три фильма были почти целиком сняты в павильонах.
За несколько дней до начала работ над визуальными эффектами в залив Сан-Франциско приплыл кит, которого звали Хэмфри (Humphrey; все оставшиеся в мире киты имеют имена и идентификационные номера на плавниках), и по этому поводу члены съёмочной группы несколько дней шутили, что кит приплыл пробоваться на роль в фильме. Такой шанс нельзя было упустить, и операторская группа потратила два дня на его съёмку. К сожалению, плохая погода испортила все кадры, и ни один из отснятых дублей использовать в фильме не удалось.
Эпизод, в котором Чехов опрашивает прохожих на улицах города, где находится ближайший ядерный реактор, именно так и снимался — идущие мимо прохожие ничего не подозревали и отвечали первое, что им приходило в голову. Тем более интересен тот факт, что одна из прохожих, женщина с длинными тёмными волосами, ответила, что ближайшие ядерные реакторы находятся на военных кораблях, стоящих в заливе или на военной базе в Аламиде. Её правильный ответ настолько удивил всю съёмочную группу, что Леонард Нимой прямо на месте предложил ей контракт на эту небольшую эпизодическую роль.
Джордж Такей, исполнивший роль Сулу, был весьма недоволен отсутствием солирующих сцен его персонажа; поэтому он уговорил Беннетта написать специально для него одну сцену, в которой на улицах Сан-Франциско он встречается с маленьким мальчиком, являющимся его дальним пра-пра-прадедом (Сулу — его потомок в шестом поколении). Леонард Нимой согласился на съёмку этого эпизода, но впоследствии он был вырезан при монтаже и так и не вошёл ни в одну из окончательных версий фильма.