No ano de 2285, o Almirante Kirk e sua tripulação estão ocupados com o treinamento de novos cadetes da Frota Estelar. Dentre esses cadetes está a jovem vulcana Saavik, uma protegida de Spock.

Enquanto isso, no Laboratório Espacial Regula I, a Dra. Carol Marcus, um antigo amor de Kirk, e seu filho David Marcus completam a simulação final do projeto Genesis, um programa capaz de criar vida a partir do nada. No entanto, a Dr. Marcus está preocupada com a possibilidade de Gênesis ser usado como uma arma.

Ao mesmo tempo, a nave U.S.S. Reliant chega a Ceti Alpha IV com a missão de verificar se há qualquer sinal de vida no planeta, um possível local para testar Genesis. O Capitão Terrell e Chekov se transportam para a superfície do planeta onde encontram Khan Noonien Singh, um ex-tirano das Guerras Eugênicas de Terra, que foi exilado no planeta em 2267 pelo Capitão Kirk. Com a ajuda de enguias nativas do planeta, implantadas no cortex cerebral de Chekov e Terrel, Khan consegue obter o controle da Reliant.

No Laboratório Regula I, a Dra. Marcus é contatada pela USS Reliant, informando que Ceti Alpha IV possui as condições necessárias para o teste e que a nave, então, levará agora o Dispositivo Genesis para o planeta – meses antes da data marcada para o teste. Furosa, a Dra. Marcus entra em contato com Kirk, expressando sua indignação com a Frota Estelar por querer usar o projeto para fins militares. Embora Kirk, McCoy, Uhura e Sulu estejam conduzindo uma missão de treinamento, decidem ir até o Laboratório investigar a reclamação da Dra. Marcus. Ao chegarem lá, a Enterprise é atacada pela Reliant, e Khan exige que Kirk lhe entregue informações sobre o Dispositivo Gênesis. Mas Spock consegue entrar no computador da Reliant e fazer a nave baixar seus escudos. A Enterprise, então, atira na Reliant. Com a nave avariada, Khan tem de recuar.

Quando Kirk e um grupo se transportam para Regula I, ficam chocados ao verem que os cientistas foram torturados e mortos. Eles seguem os sinais do teletransporte até um planetóide próximo. Ao se transportarem para as mesmas coordenadas, encontram Terrel e Chekov vivos e aparentemente ilesos no subterrâneo. David Marcus ataca Kirk, acreditando que ele esteja por trás do ataque à Regula I. A Dra. Marcus é, então, forçada a revelar a Kirk que ele é o pai de David. Ela mostra a Kirk e seu pessoal o Dispositivo Genesis. Terrell, sob a influência das enguias de Ceti, transmite para Khan as coordenadas do torpedo Genesis, que é transportado para bordo da Reliant. Khan ordena a Terrel que assassine Kirk. Porém, Terrell não consegue obedecer e, ao invés de atirar em Kirk, vira a arma para si mesmo. Chekov também tenta resistir às ordens de Khan e a enguia sai por sua orelha e é destruída. Khan, acreditando que Kirk e os outros estão presos ali, parte de Regula I.

Carol e David Marcus mostram a Kirk e os outros uma caverna onde um bio-sistema foi inteiramente criado com o novo dispositivo. Ela explica que com o Genesis planetas estéreis podem agora se tornar mundos habitáveis. Kirk contata a Enterprise; ele e os outros retornam então à nave.

Já um pouco recuperadas do confronto anterior, mas ainda com problemas, as duas naves entram na Nebulosa Mutara. A Enterprise consegue causar mais avarias na Reliant. Mesmo assim, Khan não recua. Levado por seu desejo de vingança, Khan decide lançar o dispositivo Genesis, sabendo que ambas as naves serão destruídas. A Enterprise não tem como escapar. Então, Spock vai até a engenharia e entra na câmara de radiação para consertar o sistema de dobra da nave. McCoy tenta impedi-lo, mas Spock o deixa inconsciente com um toque vulcano e, antes de entrar na câmara, ele põe a mão sobre a testa de McCoy e diz: "lembre-se".

No momento em que o torpedo Genesis explode, destruindo Khan e a Reliant, a velocidade de dobra é restabelecida e a Enterprise consegue escapar. Kirk é chamado à Engenharia, onde encontra Spock à beira da morte. Spock morre e seu caixão é enviado para descansar no novo planeta criado com a explosão do dispositivo Genesis. David Marcus finalmente faz as pazes com seu pai. E a Enterprise retorna a Ceti Alpha IV para resgatar a tripulação da USS Reliant que foi abandonada lá por Khan.