Una nave alienígena se sitúa en la órbita terrestre y emite unas extrañas radiaciones que provocan cambios climáticos en el planeta. El capitán Kirk y la tripulación del Enterprise van de regreso a la Tierra tras haber rescatado a Spock pero deben viajar en el tiempo y situarse en el siglo XX para conseguir una parejas de ballenas jorobadas, los únicos seres que tienen la clave para solucionar el peligro.