2233. Le USS Kelvin est le témoin d'un étrange phénomène, un gigantesque vaisseau inconnu (le Narada) surgissant d'un trou noir. Le vaisseau de la fédération est rapidement mis hors de combat et le capitaine du Narada, Néro, demande au capitaine du Kelvin, Robau, de se rendre sur la passerelle ennemie. Robau est interrogé par le second du capitaine romulien. Irrité par la date stellaire donnée par Robau, Néro tue ce dernier. Devenu capitaine du Kelvin, George Kirk ordonne l'évacuation du vaisseau. Sa femme, évacuée dans une navette, donne prématurément le jour à James T. Kirk. L'équipage mis en sécurité, le nouveau capitaine jette le Kelvin sur le Narada mais la défaillance du pilotage automatique l'oblige à rester sur place pour couvrir la fuite des survivants.
Dans un futur proche, une météorite s'écrase à proximité de Hambourg. Des hordes d'extraterrestres extrêmement organisés, les « mimics », envahissent l'Europe. Une coalition de dix-sept nations est formée pour combattre les mimics. Elle est nommée « force de défense unie » (FDU). En cinq ans, cette guerre mondiale fait des millions de victimes. Les mimics semblent anticiper toutes les actions des militaires. Mais subitement, les humains gagnent la bataille de Verdun avec des pertes très faibles. Cette victoire est l’œuvre du sergent Rita Vrataski qui a tué des centaines de mimics dès son premier jour de combat, équipée de la nouvelle armure. Elle devient ainsi l'héroïne de l'armée et les médias la surnomment « l'ange de Verdun ».
Des extraterrestres nommés les Boovs choisissent de faire de la Terre leur nouvelle planète d'adoption pour échapper à leur ennemis, les Gorgs. Ils relogent tous les humains en un seul endroit et prennent possession des villes désertes. Une adolescente, Tif (Tip dans les versions originale et québécoise), échappe par accident à ce déplacement de population. Lorsqu'un Boov maladroit, nommé Oh, révèle par erreur la nouvelle cachette de son peuple aux Gorgs, il devient alors l'ennemi public n 1. Il décide de fuir se cacher en Antarctique, là où ne vivent ni humain ni Boov. Durant sa cavale, il tombe sur Tif, qui recherche désespérément sa mère. Ils partent alors ensemble à Paris, où se situe le quartier général des Boovs, dans l'espoir de localiser la mère de la jeune fille.
2263. Sur une planète, le capitaine James T. Kirk agit à titre d'ambassadeur pour conclure un traité de paix entre deux peuples ennemis. En guise de cadeau, il apporte un artéfact qui faisait partie d'une puissante arme inconnue. Cependant, le chef de la planète s'emporte, croyant qu'on veut se moquer de lui et soumettre son peuple. Kirk tente de l'apaiser, mais le chef préfère attaquer Kirk, imité par ses congénères. Grâce à Scotty, Kirk retourne sur le vaisseau USS Enterprise. Après cette mission manquée, Kirk se questionne sur son rôle dans Starfleet. Après trois ans de mission et alors que son anniversaire approche — il aura un an de plus que son père quand il est mort —, il n'éprouve plus qu'ennui et malaise, même si son équipage est l'un des meilleurs selon ses dires.
Alors qu'il se trouve au Mexique, le scientifique français Claude Lacombe — principal invité de la conférence de Montsoreau —, assisté de son interprète américain David Laughlin, découvre de vieux avions de guerre en plein désert de Sonora. Les appareils, des Grumman TBF Avenger, faisaient partie du Vol 19, une escadrille qui a mystérieusement disparu en décembre 1945. Simultanément, d’autres faits étranges se produisent à la surface de la planète, comme la découverte d'un navire cargo disparu en 1925, retrouvé en plein désert de Gobi.
En 2005, des scientifiques découvrent dans le « système solaire Gliese » (nom donné dans le film, en réalité le système planétaire Gliese 581) une exoplanète qu'ils baptisent « planète G », dont le climat semble proche de celui de la Terre. En 2006, la NASA lance le projet international Beacon pour envoyer un signal jusqu'à cette planète en construisant un système de communication cinq fois plus puissant que ceux existant alors. Chaque jour, quand le satellite Landsat 7 est à l'aplomb de la station de communication de Saddle Ridge, sur l'île d'Oahu, dans l'archipel d'Hawaï, le signal est émis vers le satellite. Celui-ci amplifie le signal pour le relayer à travers l'espace jusqu'à la planète G.
La planète Krypton est sur le point d'exploser. Jor-El, grand scientifique, décide de sauver son fils unique Kal-El en le plaçant dans une sonde spatiale pour l'envoyer sur Terre.
2077 : Jack Harper, en station sur la planète Terre dont toute la population a été évacuée, est chargé de la sécurité et de la réparation des drones. Suite à des décennies de guerre contre une force extra-terrestre terrifiante qui a ravagé la Terre, Jack fait partie d’une gigantesque opération d’extraction des dernières ressources nécessaires à la survie des siens. Sa mission touche à sa fin. Dans à peine deux semaines, il rejoindra le reste des survivants dans une colonie spatiale sur le satellite de Saturne Titan à des millions de kilomètres de cette planète dévastée qu’il considère néanmoins comme son chez-lui.
La planète Mars, qui se nomme en réalité Barsoom, est loin d'être dépourvue de vie. Cependant, les affrontements entre les différents peuples qui y vivent la mènent progressivement au déclin. Les martiens rouges, d'apparence très proche des humains, sont divisés en nations rivales. Parmi elles, la cité guerrière itinérante de Zodanga ravage les autres nations les unes après les autres. Seule la cité d'Helium lui résiste encore. Un jour, le vaisseau volant de Sab Than, roi de Zodanga, se perd dans une tempête de sable où il est pris en chasse par deux vaisseaux héliumites, mais sauvé in extremis par trois mystérieux moines dotés de pouvoirs surnaturels, qui se présentent comme des Therns, au service de la déesse Issus. Les Therns offrent à Sab Than le contrôle du Neuvième rayon, une technologie aux pouvoirs colossaux. Zodanga peut alors reprendre le dessus dans le conflit en cours.
Lilo est une petite Hawaiienne orpheline de six ans au caractère bien trempé qui est élevée tant bien que mal par sa sœur ainée. Un jour, malgré les réticences de sa grande sœur, elle adopte dans un refuge un étrange animal, vorace et indomptable : Stitch, qui s'avère être un fugitif extraterrestre. Une relation d'amitié va naître entre ces deux êtres mais malheureusement les choses vont se compliquer : un groupe d'extraterrestres chargé de capturer Stitch pour le renvoyer en prison débarque sur Terre...
L'histoire débute un jour de 1914, dans un temple d’Égypte. Un archéologue italien décrit à son assistant anglophone sa compréhension d'une fresque gravée sur un mur du bâtiment : il s'agirait d'une sorte de plan de bataille. D'un côté se trouve l'ennemi absolu, le Mal, dont la venue est permise par un alignement de planètes qui a lieu tous les 5000 ans. Il y a de l'autre côté quatre éléments qui entourent un cinquième mis à part, de forme humanoïde. La représentation d'une arme absolue permettant de combattre le Mal est gravée de part et d'autre des antagonistes.
À l’époque de leur jeunesse, dans les années 80, Sam Brenner, Will Cooper, Ludlow Lamonsoff et Eddie « Fire Blaster » Plant ont sauvé le monde des milliers de fois… en jouant à des jeux d’arcade à 25 cents la partie. Mais aujourd’hui, ils vont devoir le faire pour de vrai… Lorsque des aliens découvrent des vidéos d’anciens jeux et les prennent pour une déclaration de guerre, ils lancent l’assaut contre la Terre. Ces mêmes jeux d’arcade leur servent de modèles pour leurs attaques. Cooper, qui est désormais Président des États-Unis, fait alors appel à ses vieux potes pour empêcher la destruction de la planète par PAC-MAN, Donkey Kong, Galaga, Centipede et les Space Invaders… Les gamers pourront compter sur l’aide du lieutenant-colonel Violet Van Patten, une spécialiste qui va leur fournir des armes uniques...
Une sorte de sphère atterrit sur Terre. En sort Klaatu, un extraterrestre d'apparence humaine (mais né d'une chrysalide) qui souhaite transmettre un message à l'humanité alors que des phénomènes étranges font leur apparition.
Lorsque l'entité maléfique Parallax s'échappe de sa prison aux confins de l'univers et parvient à blesser mortellement Abin Sur, le seul gardien capable de l'emprisonner, le corps des Green Lantern (gardiens ancestraux de la paix dans l'univers et maîtrisant la force verte de la Volonté grâce à leur anneau), dont Abin Sur faisait partie, se retrouve démuni face à leur adversaire qui maîtrise la force jaune de la peur. C'est sans compter sur le pilote d'aviation chevronné Hal Jordan, casse-cou et téméraire, qui va obtenir l'anneau de pouvoir d'Abin Sur mourant et devenir le dernier espoir des Green Lantern et de la Terre, à présent menacée par Parallax.
11 août 2011, des Marines sont appelés à intervenir à Los Angeles, au commencement pour ce qui semblait être une simple pluie de météorites qui tombe au large de grandes villes côtières à travers le monde. Il s'avère qu'ils vont en réalité devoir affronter les forces d'invasion et de colonisation d'extraterrestres, puissamment organisées, dont l'objectif est de s'approprier les ressources en eau de notre planète Terre. Sous la pression de la technologie avancée de ces derniers (usage intensif de drones de combat), l'armée américaine doit peu à peu se replier et abandonner la ville sous peine d'anéantissement total. Un peloton de Marines du 2e bataillon du 5e régiment de Marines commandé par le sergent Michael Nantz, un vétéran, a pour ultime mission de sauver un groupe de civils restés bloqués dans une zone de combats. Durant l'extraction, le sergent Nantz arrive à repérer un PC opérationnel alien et à le faire détruire par une frappe de missiles. Ce faisant, il permet la libération de l'espace aérien, enfin débarrassé des drones aliens, afin que les combats pour la reconquête de la ville puissent commencer.