Une entité extraterrestre apparemment hostile, et maître d'une nuée se développant sur plus de 80 unités astronomiques, se dirige tout droit vers la Terre. L'Amiral Kirk est chargé par Starfleet de reconnaître l'entité et évaluer la menace. Il reprend alors les commandes de l'USS Enterprise, qu'il avait abandonnées à la suite de sa promotion, et découvre un vaisseau entièrement remodelé. Le capitaine Will Decker, évincé de son commandement, accepte néanmoins de le seconder grâce à sa connaissance des modifications apportées au vaisseau. Sur la route d'interception de l'entité, l’Enterprise accueille Spock qui revient de sa retraite sur Vulcain. Spock a été en contact mental avec l'entité, qui se fait appeler V'Ger.

Quand l'Enterprise entre dans la nuée, son équipage découvre une masse phénoménale de connaissances, accumulée par V'Ger au cours de son voyage. V'Ger désigne l'équipage comme étant des « unités carbone » et en tue une, le lieutenant Ilya (qui avait eu une histoire très forte avec Decker plusieurs années auparavant) pour mieux les examiner. Malgré toute sa volonté, Kirk ne peut que tenter de comprendre ce que veut V'Ger, car la survie de son vaisseau n'est soumise qu'au bon vouloir de l'entité. Celle-ci finit par révéler qu'elle retourne sur Terre pour retrouver le Créateur, et se joindre à lui. On découvre que V'Ger est une machine résultant de l'ancienne sonde VOYAGER VI lancée à la fin du vingtième siècle par les humains. Lors du passage du temps de la sonde dans l'espace, seules les lettres V GER sont demeurées.

V'Ger comprend alors que les « unités carbone » sont son Créateur et demande à fusionner avec elles. Le capitaine Decker se sacrifie donc afin que V'Ger (qui a pris l'apparence du lieutenant Ilia) puisse fusionner avec lui.