Alors que l'équipage de l'Enterprise regagne la Terre à bord d'un vaisseau ennemi capturé, leur planète fait face à un grave péril sous la forme d'une immense sonde spatiale venue d'on ne sait où. L'amiral Kirk et son lieutenant, Spock, croient reconnaître dans les bruits émis par la sonde le cri des baleines, animal disparu depuis deux siècles. Ils entreprennent donc un voyage dans le temps pour trouver un couple de cétacés en mesure de communiquer avec l'étrange appareil. Se retrouvant à San Francisco à la fin du XXe siècle, les voyageurs de l'espace ont fort à faire pour remplir leur mission sans trop attirer l'attention.