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Eine riesige, durch den Raum treibende Energiewolke befindet sich auf dem Weg zur Erde. Dabei zerstört sie drei klingonische Raumschiffe und die Föderationsraumstation Epsilon 9, die zuvor erfolglos versucht hatte, mit der Wolke zu kommunizieren. Die Föderation sieht die Erde durch die Wolke bedroht und entsendet die generalüberholte U.S.S. Enterprise NCC-1701, um die Wolke abzufangen. Der mittlerweile zum Admiral beförderte Kirk lässt sich kurzfristig das Kommando über das Schiff geben und versetzt den ursprünglichen Captain Decker auf den Posten des ersten Offiziers. Da der ursprünglich als Wissenschaftsoffizier vorgesehene Vulkanier Sovek bei einem Unfall beim Beamen zu Tode kommt, überträgt Kirk zugleich auch diese Funktion zunächst an Decker. Die Deltanerin Lieutenant Ilia, Deckers frühere Geliebte, tritt ihren Posten als Navigatorin an.

Um die Wolke möglichst rasch zu erreichen, lässt Kirk die Enterprise mit dem bislang noch nicht ausreichend getesteten Warp-Antrieb fliegen. Dabei kommt es zu einem Maschinenfehler, durch den das Schiff in ein Wurmloch versetzt wird und ausser Kontrolle mit einem Asteroiden zu kollidieren droht. Ein in letzter Sekunde vom Schiff abgeschossener Torpedo zerstört den Asteroiden, woraufhin die Enterprise das Wurmloch wieder verlässt.

Auf dem Planeten Vulkan versucht Spock das Kolinahr zu meistern, eine Technik, die ihm die vollkommene Unterdrückung von Emotionen ermöglicht. Plötzlich kann er das Vorhandensein der Wolke spüren und erkennt sie als ein fremdes Bewusstsein. Er begibt sich daher auf die Enterprise, wo er seine bewährte Funktion als Wissenschaftsoffizier wieder einnimmt.

Nachdem Spock den Warp-Antrieb wiederhergestellt hat, ist die Enterprise bald bei der Wolke angelangt. Ein Energiestrahl aus der Wolke tastet das Schiff ab und verletzt Chekov; Spock erkennt den Strahl als Kommunikationsversuch. Anschliessend fliegt die Enterprise in die Wolke, die uneinheitlich und farbig strukturiert ist. Darin entdeckt die Crew eine etliche Kilometer grosse Konstruktion, welche offenbar die Energiewolke erzeugt. Plötzlich löst eine Sonde Ilia auf der Brücke auf und ersetzt sie durch eine Maschine, die eine äusserlich exakte Kopie Ilias darstellt. Diese ist das Sprachrohr der fremden Entität. Von ihr erfährt die Crew, dass die Entität sich "V'ger" nennt und auf der Suche nach ihrem Schöpfer ist, den sie auf der Erde zu finden glaubt. Spock begibt sich mit einem Raketen-Raumanzug eigenmächtig in das Zentrum der Wolke und erfährt dort, dass V'ger über ungeheures Wissen verfügt, aber Emotionen nicht verstehen kann.

Spock wird von "V'ger" zur Enterprise zurückgeschickt. Das riesige Raumschiff, in dem sich "V'ger" und die Enterprise befinden, hat die Erde erreicht und "V'ger" versucht Kontakt zu seinem Schöpfer aufzunehmen. Als er aber keine Antwort erhält, will er alle Menschen auf der Erde vernichten, da er denkt, dass sie die Kontaktaufnahme verhindern. Kirk kann "V'ger" davon überzeugen, ihm persönlich die Informationen zu geben, die "V'ger" von seinem Schöpfer will, und so wird die Enterprise weiter ins innere des Raumschiffs gezogen direkt zu "V'ger". Ein Aussenteam der Brückenbesatzung begibt sich zu "V'ger". Sie finden heraus, dass "V'ger" nur die teilweise verschmutzte Aufschrift von "Voyager 6" ist, einer von der NASA im 20. Jahrhundert gestarteten Raumsonde, deren primäres Ziel es war, das gesamte Wissen über das Universum zu sammeln. Auf ihrem Weg ist sie zu einer Maschinenzivilisation gelangt, die den Auftrag der Voyager-Sonde wörtlich nahm und mit ihrer Technik Voyager zu dem weiterentwickelte, was "V'ger" darstellt. "V'ger" hatte die Reise fortgesetzt, bald alles Erlernbare gelernt und sich deshalb auf den Weg zurück zur Erde begeben, um das gesammelte Wissen den Menschen als Schöpfern zu überbringen. Der Wissenstransfer scheiterte jedoch, da auf der Erde niemand mehr den Kommunikationscode verstand.

Als "V'ger" versteht, dass die Menschen ihre Schöpfer sind, verlangt sie Antworten nach dem Sinn der Leere ihrer Existenz, die nichts als Logik kennt. Decker, der Ilias Wesen noch in der Maschine sehen kann, will "V'ger" das Wesen des Mensch-Seins offenbaren, indem er "V'ger" anbietet, eins mit ihr zu werden. Die Ilia-Sonde und er beginnen, sich in leuchtende Energie aufzulösen. Ein neues Wesen entsteht, die Wolke verschwindet. Kirk lässt Ilia und Decker schliesslich als vermisst statt als tot melden.