Auf dem Planeten Nibiru droht ein Vulkanausbruch die noch wenig entwickelte Zivilisation auszulöschen. Die Crew der Enterprise versucht dies zu verhindern, wobei Spock im Krater des Vulkans in Lebensgefahr gerät. Captain Kirk entschließt sich ihn zu retten, obwohl die Enterprise dabei von den Eingeborenen gesehen wird und er somit die oberste Direktive der Föderation verletzt, die keine Einflussnahme auf die Entwicklung fremder Kulturen erlaubt. Als der Vorfall später trotz Kirks geschöntem Bericht durch Spock ans Licht kommt, wird Kirk das Kommando über die Enterprise entzogen. Er soll wieder zurück an die Akademie und Spock auf die USS Bradbury versetzt werden. Kirks Mentor Admiral Christopher Pike, der daraufhin das Kommando über die Enterprise zurückerhält, kann jedoch erreichen, Kirk als seinen ersten Offizier mit an Bord der Enterprise nehmen zu dürfen.
Kurze Zeit später kommt es in London zu einem Sprengstoffanschlag auf ein als Archiv getarntes Waffenlabor der Sternenflotte, ausgeführt von einem Mitarbeiter, dessen todkranke Tochter als Gegenleistung von einem Unbekannten durch eine Bluttransfusion geheilt wurde. Anlässlich des Anschlags wird im Hauptquartier der Sternenflotte in San Francisco eine Sitzung einberufen, an der auch Kirk, Spock und Admiral Pike teilnehmen. Admiral Marcus, der Oberbefehlshaber der Sternenflotte, identifiziert als Drahtzieher des Anschlags den ehemaligen Agenten der Sternenflotte John Harrison und befiehlt die Jagd auf ihn. Eben als Kirk erkennt, dass Harrison die Einberufung dieser Sitzung vorausgesehen haben muss, greift dieser den Konferenzraum mit einem Shuttle an. Er schießt durch die Fenster und tötet die meisten hochrangigen Teilnehmer, darunter auch Admiral Pike. Kirk kann das Shuttle zum Absturz bringen, doch Harrison flieht rechtzeitig mit einem mobilen Transporter. Scott findet heraus, dass Harrison auf den Klingonen-Heimatplaneten Kronos geflohen ist. Admiral Marcus gibt Kirk daraufhin das Kommando über die Enterprise zurück, der Spock sofort wieder als ersten Offizier einsetzt. Da der Sternenflotte ein Krieg mit den Klingonen droht, soll Kirk lediglich bis zum Rand der „neutralen Zone“ vordringen und von dort aus Harrisons Position auf Kronos mit neuartigen Torpedos beschießen. So soll ein offener Konflikt mit den Klingonen vermieden werden.
Nach Anbordnahme der 72 neuen Torpedos möchte Chefingenieur Scott diese überprüfen, was ihm jedoch verwehrt wird. Er warnt vor ihrem Einsatz und droht Kirk, seinen Dienst zu quittieren. Kirk akzeptiert dies und Scott verlässt das Raumschiff. Auf Weisung Kirks übernimmt Chekov nun Scotts Position als Chefingenieur und das Schiff bricht nach Kronos auf. Auf dem Flug stellt Spock die Waffenexpertin Carol Wallace zur Rede, die sich ohne offizielle Genehmigung auf die Enterprise begeben hat, um die neuen Torpedos selbst zu überprüfen. Es stellt sich heraus, dass sie die Tochter von Admiral Marcus ist, die unlautere Machenschaften ihres Vaters vermutet. Plötzlich legt eine Überhitzung des Warpkerns den Antrieb lahm, wodurch das Schiff in klingonischem Gebiet vorerst manövrierunfähig ist. Entgegen den Missionsbefehlen plant Kirk, auf dem Planeten zu landen, um Harrison festzunehmen und vor Gericht zu stellen. Zusammen mit Spock, Uhura und zwei weiteren Männern macht er sich in einem Shuttle auf den Weg und lässt Harrison durch Sulu über die angeblich feuerbereiten Torpedos in Kenntnis setzen, damit dieser sich stellt. Das Shuttle des Außenteams wird von Klingonen abgefangen und zur Landung gezwungen. Uhura versucht daraufhin, auf Klingonisch zu verhandeln, doch da taucht Harrison auf, schaltet beinahe mühelos die Klingonen aus und ergibt sich Kirk anschließend widerstandslos, als er die Anzahl der einsatzbereiten Torpedos erfährt.
Harrison wird an Bord gebracht und von Kirk verhört, gibt jedoch zunächst nur vage Hinweise, durch die Carol Marcus und McCoy herausfinden, dass sich in den 72 Torpedos Menschen in kryogenen Tiefschlafkapseln befinden. Harrison erklärt, er heiße eigentlich Khan und sei ein gentechnisch verbesserter Soldat, der vor 300 Jahren zusammen mit seiner Crew eingefroren wurde. Admiral Marcus ließ ihn aufwecken, um ihn für seine eigenen Zwecke einzusetzen. So musste der hochintelligente Khan die Torpedos und anderes Kriegsmaterial entwickeln. Marcus versuchte, ihn unter Kontrolle zu halten, indem er Khan drohte, seine Crew umzubringen. Khan versteckte daraufhin seine Leute in den Torpedos und plante zu fliehen, musste sie jedoch zurücklassen, als Marcus sein Vorhaben aufdeckte.
Khan gibt Kirk Koordinaten, die dieser an den auf der Erde gebliebenen Scott weiterleitet, damit der sich dort umsieht. Eben als Kirk herausfindet, dass der Ausfall des Warpantriebs durch Admiral Marcus inszeniert worden sein muss, taucht dieser mit einem neuen und größeren Kriegsschiff der Sternenflotte neben der Enterprise auf und fordert die Übergabe von Khan. Kirk überlistet ihn, indem er Chekov den beschädigten Kern für einen Warpflug zurück zur Erde einsetzen lässt. Während des Warpfluges werden sie jedoch von Marcus’ deutlich überlegenem Raumschiff eingeholt und angegriffen. Mit der Rechtfertigung, Kirk gelte nun als Gehilfe des Verbrechers Khan, feuert Marcus auf die Enterprise. Seine Tochter Carol, von deren Anwesenheit auf der Enterprise Marcus nichts wusste, kontaktiert ihn, worauf er das Feuer einstellen lässt. Er lässt Carol an Bord seines Schiffs beamen, um sie aus der Schusslinie zu bringen, und will den Angriff fortsetzen. Scott, der an den übermittelten Koordinaten Marcus’ neues Raumschiff vorgefunden hat und sich unbemerkt darin einschleusen konnte, schafft es jedoch, die Waffensysteme rechtzeitig zu sabotieren. Kirk und Khan setzen in Raumanzügen zu Marcus’ Schiff über, wo Scott ihnen eine Frachtraumluke öffnet. Sie dringen zur Brücke vor und überwältigen die kleine Crew. Auf Anweisung Kirks betäubt Scott auch Khan.
Noch während Spock mit seinem älteren Ich (siehe Star Trek XI) Kontakt aufnimmt und erfährt, dass Khan ein sehr gefährlicher Gegner ist, erwacht Khan wieder, überwältigt Kirk, Scott und Carol und tötet Admiral Marcus mit bloßen Händen. Er erklärt, dass er seine Crew befreien will, und fordert von Spock die Bereitstellung der 72 Torpedos mit seiner Crew, um sie zu sich an Bord zu beamen. Nachdem dies geschehen ist, beamt er im Gegenzug Carol, Kirk und Scott zurück auf die Enterprise und eröffnet wieder das Feuer. Spock hatte Khan jedoch überlistet, und die 72 Torpedos wurden ohne seine Crew an Bord gebeamt. Per Fernzünder bringt Spock sie zur Explosion, wodurch Khans Schiff ebenfalls schwer beschädigt wird. Beide Raumschiffe fallen antriebslos aus dem Orbit in Richtung Erde. Kirk gelingt es rechtzeitig, den Warpkern des Schiffs zu reparieren, sodass die Enterprise den Absturz abfangen kann. Allerdings muss er sich dabei ungeschützt der tödlichen Strahlung aussetzen und droht zu sterben. In der Dekontaminationsschleuse zum Maschinenraum kommt es zu einem emotionalen Moment zwischen Kirk und Spock, und als Kirk das Bewusstsein verliert, schreit der aufbrausende Spock seine Wut auf Khan heraus.
Khan, der mit seinem Schiff mittlerweile auf San Francisco gestürzt ist und dort erheblichen Schaden verursachte, hat den Absturz fast unbeschadet überlebt. Von Spock verfolgt, flieht er vom Wrack durch die Stadt. Unterdessen findet McCoy heraus, dass Khans Blut eine regenerative Wirkung besitzt und Kirk damit noch gerettet werden könnte. Uhura folgt deshalb Spock, um zu verhindern, dass Khan getötet wird. Spock hat Khan inzwischen auf einem Luftfrachter gestellt und kann ihn mithilfe von Uhura überwältigen.
Zwei Wochen später erwacht Kirk, noch geschwächt, aber durch ein von McCoy hergestelltes Serum aus Khans Blut geheilt. Am Ende des Films bricht die Enterprise unter Kirks Kommando zu ihrer ersten fünfjährigen Erkundungsmission auf, während Khan wieder in einer Tiefschlafkapsel liegt und zusammen mit seiner Crew in einer Lagerhalle aufbewahrt wird.
Quelle: Wikipedia