L’USS Enterprise NCC-1701 a repéré l'origine de certaines distorsions temporelles : une mystérieuse planète autour de laquelle le vaisseau se place en orbite.
Des turbulences projettent Sulu au sol, appelé, le Dr McCoy se rend vers la passerelle où il injecte de la cordrazine au pilote victime de palpitations cardiaques. Sulu se remet, mais de nouvelles turbulences surviennent, le médecin tombe sur sa seringue et s'injecte accidentellement une dose massive de cordrazine.
En proie à un accès de paranoïa, il quitte précipitamment la passerelle. Tandis que Kirk réunit en hâte les équipes de sécurité, McCoy se rend dans la salle de téléportation, maîtrise M. Kyle et se téléporte sur la planète. Dès qu'il se rend compte de la situation, Kirk décide de partir à la recherche de McCoy.
Le groupe de Kirk se retrouve au cœur d'une cité en ruines, Spock annonce qu'elle est vieille de dix mille siècles. Bientôt, Kirk et Spock découvrent une mystérieuse arche bourrée d'énergie, le Vulcain comprend qu'il s'agit là de la source des distorsions temporelles.
Kirk lui demande de s'identifier et l'arche répond qu'elle est le Gardien de l'Éternité, puis fait la démonstration de ses pouvoirs en montrant aux deux officiers une série de scènes issues du passé de la Terre.
McCoy accourt vers eux, mais il est rattrapé et maîtrisé par le détachement. Alors que Spock entreprend d'enregistrer les images au moyen de son tricordeur, McCoy échappe à ses gardiens, se précipite vers le portail qu'il franchit et plonge dans le passé.
Uhura signale qu'elle a perdu le contact avec le médecin, le Gardien explique que McCoy a modifié le passé, et qu'en conséquence le monde qu'ils connaissaient tous n'existe plus.
Kirk demande au Gardien de remonter le temps. A l'aide du tricordeur, le Capitaine et Spock gagnent un point du passé immédiatement antérieur à celui où s'est rendu McCoy. Les officiers de Starfleet se retrouvent dans les rues du New York des années 1930. Comme leurs uniformes attirent l'attention, Kirk dérobe des vêtements qui sèchent sur un escalier de secours. Ils sont interpellés par un policier.
Après une tentative d'explication embarrassée, ils le neutralisent, puis cherchent refuge dans un sous-sol avant que l'agent n'ait recouvré ses esprits. A peine ont-ils enfilé les vêtements volés qu'une femme descend dans leur sous-sol.
Elle s'appelle Edith Keeler. Kirk lui ayant expliqué qu'ils n'ont pas d'argent et sont poursuivis par la police, elle leur offre du travail : ils peuvent commencer par nettoyer le sous-sol. Edith dirige la Mission de la 21e Rue. Leur tâche achevée, Kirk et Spock vont prendre leur repas à la cantine de l'établissement. Edith, impressionnée par leur travail, leur trouve un logement dans la pension où elle vit.
Spock consacre tous leurs gains à la réalisation d'un ordinateur de fortune dont il veut se servir pour accéder à son tricordeur, afin de savoir exactement en quoi le passé sera changé. Un soir, à la mission, Kirk et Spock sont surpris par Edith alors qu'ils ont « emprunté » des outils afin de travailler à leur ordinateur. Kirk lui assure qu'ils ont l'intention de remettre les outils en place.
Elle le croit, mais insiste pour que le Capitaine la raccompagne chez elle. Elle se pose des questions au sujet de l'aspect étrangement « hors de ce monde » de ses employés. Kirk évite de lui fournir des réponses directes. De toute évidence, une idylle est en train de se nouer,
Spock se connecte à son tricordeur et découvre un article de 1930 faisant état de la mort d'Edith Keeler. Le Capitaine arrive, qui lui montre un compte rendu différent, de 1936 : Edith Keeler s'entretient avec le Président Roosevelt. Avant qu'ils n'aient eu le temps d'en apprendre davantage, l'ordinateur tombe en panne. Spock met Kirk au courant de sa découverte et l'avertit que, si Edith ne meurt pas, l'histoire sera changée à jamais.
Pendant ce temps, le Dr McCoy apparaît dans une ruelle voisine. Après avoir rencontré un clochard, il pénètre dans la mission. Edith, horrifiée par son état, l'emmène se reposer dans une pièce retirée.
Spock, qui a réparé son ordinateur, apprend qu'Edith va prendre la tête d'un mouvement pacifiste qui retardera l'entrée en guerre des Etats-Unis, les Allemands seront les premiers à mettre au point la bombe atomique et remporteront la victoire. Kirk révèle à Spock qu'il est amoureux d'Edith, mais le Vulcain est inflexible : pour que l'avenir soit préservé, Edith Keeler doit mourir.
McCoy reprend conscience, mais il ignore où il se trouve. Edith lui apporte un journal et lui annonce que son « jeune homme » l'emmène au cinéma. En chemin, Edith parle à son ami de son nouvel hôte. Kirk réalise qu'il doit s'agir de McCoy.
Il repart en hâte vers la mission en appelant Spock. McCoy les entend, se précipite dans la rue. Alors que les amis s'étreignent, Edith se retourne pour traverser la rue. Kirk voit une camionnette foncer sur elle. Instinctivement, il s'avance pour la sauver, puis s'arrête. McCoy s'élance à son tour, mais le Capitaine le retient. Edith est renversée et tuée sur le coup.
McCoy, horrifié, demande à Kirk s'il se rend compte de ce qu'il a fait. Spock affirme que le Capitaine a parfaitement mesuré les conséquences de ses actes. Quelques secondes plus tard, les trois officiers regagnent leur propre époque, où tout est redevenu normal, à cela près que Kirk est transformé à jamais.
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