《星际旅行4：抢救未来》中，一艘庞大的外星无人探测器正逼近地球，并持续发出诡异而强烈的电波。信号所释放的巨大能量不仅使海水沸腾，还干扰了附近的星舰，带来大范围破坏。
与此同时，詹姆斯·柯克中将和他的船员刚刚完成让斯波克上校复活的任务。他们驾驶着从克林贡人手中夺来的猛禽舰——如今已更名为“赏金号”——离开瓦肯星返航。虽然众人早已预料到，回去后将因盗取联邦星舰进取号以及导致其毁坏而接受军事法庭审判，但眼前地球所遭遇的危机更加紧迫。正在逐渐恢复的斯波克发现，外星探测器似乎试图与地球上的座头鲸交流。然而，座头鲸早在三个世纪前就因人类过度捕猎而灭绝。
为了拯救地球，柯克命令“赏金号”借助太阳引力进行弹射，穿越时空返回20世纪后期。1986年，星舰抵达美国加利福尼亚州旧金山，船员们将它藏在金门公园的一片草坪上。随后，他们必须在有限时间内找到能够回应探测器的座头鲸、足以容纳鲸鱼并带回未来的设备，以及为能源几乎耗尽的猛禽舰补充动力的物质。
柯克和斯波克最终得到鲸类专家吉莉安·泰勒博士的帮助。泰勒在索萨利托市的鲸鱼协会照料着两头座头鲸。为了取得她的信任，船员们不得不费尽周折证明自己确实来自未来。经过一系列波折，他们成功救出两头座头鲸，并将它们带回23世纪。座头鲸发出的回应最终使外星探测器停止破坏，地球也因此及时获救。
危机解除后，船员们被带到联邦委员会面前，接受此前涉及盗舰和进取号毁坏等多项指控。虽然斯波克并未被列为被告，他仍选择与同伴们并肩站在一起。鉴于他们刚刚拯救地球的英勇表现，除针对柯克中将的指控外，其余指控全部撤销。柯克因身为高级军官却违抗命令而被判有罪，并被象征性地降职为上校；但作为对其功绩的表彰，他随后获任命为联邦星舰进取号-A的舰长。随船来到23世纪的泰勒博士则决定加入星际舰队，担任科学官。
影片还穿插描写了斯波克逐步恢复记忆、重新认识并接受自己身上的人类传统，以及学会正视内心情感的过程。故事开始时，他无法理解母亲为何询问他的“感觉”；到了最后，他已经明白情感对人类的重要意义，并请父亲转告母亲，自己“感觉良好”。
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