En 2285, le Docteur Carol Marcus et son fils David achèvent leurs travaux de recherche sur l'incroyable Dispositif Genesis qui, lorsqu'il est activé, « déconstruit » toute matière avec laquelle il entre en contact avant de la reconstruire sous de nouvelles formes, selon la programmation de sa matrice. Genesis peut donc servir à transformer instantanément un planétoïde mort en un monde de classe M prêt à la colonisation.

Ce dispositif tombe aux mains d'un fou criminel, Khan Noonien Singh, qui le fait exploser au cours d'une bataille contre son vieil adversaire, l'Amiral James T. Kirk.

En conséquence, le dispositif réorganise la matière de la nébuleuse Mutara pour en faire une nouvelle planète.

L'USS Enterprise NCC-1701 s'enfuit du secteur juste avant d'être entraîné dans « l'effet Genesis », mais le Capitaine Spock est tué.

Enchâssé dans une torpille modifiée, son corps, envoyé dans l'espace, se pose miraculeusement dans une luxuriante jungle en formation sur la nouvelle planète.

Starfleet frappe la planète d'interdiction jusqu'à ce qu'une enquête soit menée. Le Docteur David Marcus et le Lieutenant Saavik, dépêchés sur Genesis en mission de reconnaissance, sont suivis par un groupe de Klingons : le Commander Kruge, qui a eu connaissance de l'existence du Dispositif Genesis, veut en percer le sec exploiter ses possibilités en tant qu'arme.

Kirk et son équipage talonnent les Klingons après avoir ont détourné l'USS Enterprise afin d'aller récupérer la dépouille de Spock.

Marcus et Saavik découvrent que Genesis connaît de rapides changements climatiques et de violents séismes. Loin de prospérer, la planète est en voie de désintégration. Marcus craint que cela ne soit dû à son emploi d'une protomatière instable dans la matrice de Genesis.

Attirés par des cris, Marcus et Saavik découvrent un enfant Vulcain qui ne peut être que Spock, que l'effet Genesis a ainsi rajeuni. Tout comme la planète, le garçon, en proie à de graves troubles physiques, vieillit rapidement.

Avant que Saavik et Marcus aient le temps de ramener Spock à bord de leur vaisseau, celui-ci est détruit par Kruge, qui se téléporte sur la place et les capture. A l'arrivée de l'USS Enterprise, Marcus est assassiné et les Klingons s'emparent du vaisseau, dont Kirk a programmé le sabordage.

En dépit des nombreuses preuves qui l'entourent (activité volcanique, éléments déchaînés), le Klingon Kruge se refuse à croire ce qu'a révélé le Docteur David Marcus : le Projet Genesis est un échec.

Kirk et Kruge engagent une lutte à mort à la surface d'une planète à l'agonie. Kruge tombe dans un lac de lave en fusion, tandis que James Kirk se téléporte à bord de l'Oiseau-de-Proie Klingon, qui est désormais sous le contrôle de son propre équipage, avant l'explosion finale de Genesis.