在尼比鲁星球探查期间，企业号舰长柯克（克里斯·派恩Chris Pine 饰）为营救史波克（扎克瑞·昆图 Zachary Quinto 饰）采取了胆大妄为的举动，几乎危及全舰队员的生命，他也为此付出代价。不久，柯克官复原职，而伦敦发生一起死亡超过四十人的恐怖袭击事件。该事件的始作俑者约翰·哈里森（本尼迪克特·康伯巴奇 Benedict Cumberbatch 饰）正来自联盟内部。此后他驾驶飞机袭击了高层会议，柯克最为敬重的派克将军不幸遇难。为了阻止哈里森的外逃阴谋，柯克重新率领企业号启程追击。危机重重的旅途，他和舰员、朋友之间的信任也受到巨大考验。 当他们最终找到哈里森，才终于知晓他的真实身份，以及伦敦袭击事件背后的阴谋和黑幕……
故事发生于位于西雅图的霹雳小组训练中心内，艾伦（阿德琳妮·帕里奇 Adrianne Palicki 饰）、沃德（泰·奥尔森 Ty Olsson 饰）和霍尔（山姆·贾格 Sam Jaeger 饰）是其中的骨干成员。一天，小组接到线报，说在一家废弃的货运中心里正在进行毒品交易，小组随即展开了行动，果然将交易场面撞了个正着。激烈的枪战平息后，组员们在集装箱内发现了一名被绑住的男子，男子名叫蝎子（迈克尔·加·怀特 Michael Jai White 饰），他的胳膊上植入了一枚芯片，芯片里记载了帮派所有的犯罪证据。 蝎子成为了霹雳小组最重要的证人，黑帮当然也不会对此坐视不管，他们派出了各路杀手对训练中心进行了猛烈袭击。
安妮（桑德拉·布洛克 Sandra Bullock 饰）和杰克的恋情并未走到最后，失落的安妮决意不再与特警恋爱，现任男友亚历克斯（杰森·帕特里克 Jason Patric 饰）为爱情隐藏特警身份，但无奈还是暴露，于是携安妮前往加勒比海度假作为弥补。在他们的游轮上，潜藏着一名危险人物——设计轮船操作系统的工程师基格（威廉·达福 Willem Dafoe 饰），基格身患绝症却遭到解雇，他为了报复公司掌控了轮船的自动航行系统，在船内装满炸弹，船长只得与乘客弃船，危机关头，亚历克斯挺身而出，与安妮返回船上救助被困的乘客。在游轮冲向毁灭终点的同时，安妮又落入了基格之手……
