En 2285, au cours de leur mission de sauvetage sur Genesis, l'Enterprise a été détruit. C'est donc aux commandes d'un oiseau de proie Klingon volé que Kirk, Spock, McCoy, Sulu, Uhura, Chekov, Scotty et Saavik sont revenus sur Vulcain. Ils décident alors de rentrer sur Terre pour être traduits en cour martiale. Mais une surprise de taille les attend à leur retour... La Terre est sous la menace d'une curieuse sonde extraterrestre qui émet des signaux qui semblent correspondre aux chants des baleines à bosse, toutes disparues à cette époque. Kirk et son équipage devront entreprendre un périlleux voyage dans le temps pour tenter de ramener un couple de ces baleines à bosse avant que la sonde ne détruise la Terre. À en juger par la pollution, l'équipage arrive à la fin du XXe siècle
