Сериал продолжает события второго сезона «Звездный путь: Дискавери», где капитан Звездного флота Кристофер Пайк, все еще преследуемый видениями собственной трагической смерти, соглашается возглавить легендарный звездолет класса «Конституция» USS Энтерпрайз. Среди его подчиненных: старший офицер по науке Спок, глава службы безопасности Ла'ан Нуньен-Синг, специализирующаяся на лингвистике кадет Нийота Ухура, гражданская медсестра Кристин Чапел и другие. Отправившись в пятилетнюю миссию на дальние рубежи галактики, экипаж Энтерпрайза приступает к поискам удивительных миров и новых цивилизаций.