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Sechs Monate nach dem Tod seiner Verlobten Batel stürzt sich Captain Pike in einen Dauereinsatz nach dem anderen, um seiner Trauer zu entkommen. Nach einer Hilfsmission bietet ihm Admiral Alex eine Beförderung zum Commodore an – doch Pike zögert, die Enterprise zu verlassen, und bittet um Bedenkzeit. Als Nächstes soll die Crew einen gewaltigen interstellaren Sturm der Kategorie 10 beobachten, dessen Energie die Grundbausteine des Universums enthält.
Ein Notsignal einer kosmischen Boje lockt das Schiff zu nah an den Sturm heran. Die Enterprise wird hineingezogen, Antrieb, Sensoren und Warpsysteme fallen aus, und das Schiff landet in einer unbekannten Region des Alls. Um den nötigen Treibstoff Iridium zu gewinnen, schickt Pike ein Außenteam aus Una, Ortegas und La'an per Shuttle auf einen nahen Planeten voller Schluchten und Urwälder – bewacht von einer schlafenden Echse, die gegen die Betäubungswaffen immun ist.
Spock bringt die Sensoren wieder online und erkennt die erschütternde Wahrheit: Die Enterprise befindet sich im eigenen Sonnensystem, aber 65 Millionen Jahre in der Vergangenheit. Der Planet ist die urzeitliche Erde, die schlafende Kreatur ein Tyrannosaurus Rex, und das fremde Schiff, das die Enterprise mit Energiefäden gefangen hält, wird von einer Marsianerin namens Kassel kommandiert – zu einer Zeit, als der Mars noch belebt war. Una gelingt es, den T-Rex ohne tödlichen Schuss auszuschalten, und das Team sichert eine Iridium-Zelle.
Kassel und ihre Wachen gelangen an Bord, indem sie schlicht durch die Schiffswände phasen. Pike führt sie durch die Enterprise und versucht, ihr die Werte der Sternenflotte zu erklären, ohne die Zeitlinie durch zu viele Informationen zu gefährden. Kassel bleibt misstrauisch und verlangt immer wieder Zugang zu den Waffensystemen: Ihr Volk führt Krieg gegen eine Spezies namens Dol'Drm, die einst ein Schiff in den Mars stürzte und dabei jenen 4.000 Kilometer langen Krater riss, der der Episode ihren Titel gibt – Valles Marineris.
Kassel stiehlt die Antimaterie-Zelle der Enterprise und erfährt, dass die Sternenflotte aus einer fernen Zukunft stammt, in der der Mars eine tote Wüste ist. Sie plant, die Zelle als Antimateriebombe auf die Heimatwelt der Dol'Drm zu werfen. Die Crew ist entsetzt über den drohenden Völkermord – doch weil der Dol'Drm-Planet in ihrer Zeit nicht mehr existiert, dürfen sie nicht eingreifen, ohne die Geschichte zu zerstören.
Die kombinierte Energie der Detonation und des berstenden Planetenkerns liefert genau die Kraft, um die quantenmechanische Verankerung in der Vergangenheit zu lösen. Ortegas fliegt die Enterprise dicht genug an die Druckwelle heran, um die Energie aufzunehmen, und bringt die Crew in ihre eigene Zeit zurück. Wie sich zeigt, wurden die Trümmer des zerstörten Planeten später zu jenem Asteroiden, der die Dinosaurier auslöschte, und zum Asteroidengürtel; die Nachbeben formten die Umlaufbahnen von Erde und Mars so, dass menschliches Leben entstehen konnte. Zurück in der Gegenwart lehnt Pike die Beförderung ab, um Captain der Enterprise zu bleiben – befördert dafür aber Una Chin-Riley zum Commander.
Auf einer Außenmission stranden La'an Noonien-Singh, Spock und James T. Kirk an Bord der USS Griffin - eines Sternenflottenschiffs, das seit neun Jahren als verschollen gilt und dessen komplette Besatzung spurlos verschwunden ist. An Bord treibt eine bösartige Wesenheit ihr Spiel, die die Gestalt der ehemaligen Sicherheitschefin Rose Harper annimmt. Die Griffin isoliert die drei Offiziere voneinander und nährt sich von ihren tiefsten Ängsten, wobei sie es besonders auf La'an abgesehen hat.
Als Harpers Gegenstück im Sicherheitsdienst wird La'an zur Hauptzielscheibe. Die Wesenheit greift ihre verdrängte Angst auf, durch die Ereignisse der Vorstaffeln zu einem Monster zu werden und ihrem Vorfahren Khan immer ähnlicher zu sein. La'an wehrt sich lange gegen die Beeinflussung, unterliegt ihr aber schließlich: Sie versucht, Erica Ortegas in sich hineinbeamen zu lassen, will Uhura erstechen und rammt Kirk schließlich ihren Dolch in den Leib. Von diesen drei Angriffen ist nur der auf Kirk real - Ortegas und Uhura sind Trugbilder.
Spock wird von einer Manifestation seiner früheren Verlobten T'Pring heimgesucht. Seine Logik hält daran fest, dass sie nicht echt ist und ihre Argumente lediglich aus seinen Erinnerungen stammen. Daraufhin betäubt ihn die Erscheinung mit einem Phaser und fesselt ihn auf eine Bio-Liege. Die Folge legt Spocks inneren Konflikt neu aus: Insgeheim empfindet er seine vulkanische, nicht seine menschliche Seite als Hemmschuh. Unter dem Einfluss der Griffin schneidet er sich selbst die Ohrspitzen ab, während er glaubt, T'Pring tue es - ebenso wenig sind die vermeintlich rettenden Auftritte von Pike und Una real.
Kirk wiederum wird mit seiner Schuld als abwesender Vater konfrontiert. Kurz zuvor hatte er ein Wochenende mit seinem Sohn David zugunsten einer Konferenz ausfallen lassen, um einen bewunderten Admiral zu treffen - ein nie überreichter Spielzeugroboter steht sinnbildlich dafür. Die Wesenheit spielt diese Reue gegen ihn aus und lässt ihn mitansehen, wie sein Bruder Sam ins Vakuum des Alls gerissen wird. Auch das ist eine Illusion: Der echte Sam ist wohlauf und auf Landurlaub.
Im letzten Moment beamt die Enterprise das Trio von der Griffin herunter, sodass La'an zur Besinnung kommt, bevor sie Kirk vollends tötet. Dr. M'Benga rettet Kirk mit einer Operation, Schwester Chapel stellt Spocks Ohrspitzen chirurgisch wieder her. Captain Pike lässt La'ans Angriff aus seinem offiziellen Bericht heraus und beruhigt ihr Gewissen mit einer eigenen Kindheitserinnerung an einen Spuk. Zum Abschluss zeigt sich jedoch die Erscheinung Rose Harpers, die La'an vom Fenster der Griffin aus beobachtet und ihr bedeutet, das Geheimnis für sich zu behalten.
Zugleich stellt die Episode Division 12 vor - die geheime Abteilung der Sternenflotte für unerklärliche Phänomene, quasi ihre Version der Akte X. Mit einem eigenen Schiff rückt Division 12 an, um die heimgesuchte USS Griffin an einen unbekannten Ort abzuschleppen. Vieles am Ursprung des Spuks bleibt bewusst ungeklärt und deutet an, dass die Geschichte um La'an noch nicht auserzählt ist.
Nach anstrengenden Wochen gönnt Captain Pike seiner erschöpften Crew auf dem Weg zu Friedensverhandlungen mit den Rodaxianern einen Landurlaub auf dem Ferienplaneten Cesnar. Die Besonderheit des Planeten: Seine Atmosphäre wirkt wie ein Rauschmittel, sodass die Führungscrew bald in bester Feierlaune versinkt und den Bezug zur Zeit verliert.
Am nächsten Morgen erwachen Erica Ortegas und Scotty ohne jede Erinnerung an den Vortag – Ortegas mit gebrochenem Arm, das Shuttle verschwunden und die Rückkehr zur Enterprise in Gefahr. Die beiden, die sich seit Beginn der Staffel ständig in den Haaren liegen, müssen widerwillig zusammenarbeiten und ihren gemeinsamen verlorenen Tag Stück für Stück rekonstruieren, um rechtzeitig zurück an Bord zu kommen.
Während der ausgelassenen Feier hat sich auch der Rest der Crew danebenbenommen: Pike lässt sich seine Verhandlungsrede kurzerhand auf die Hände tätowieren, und Spock führt ein offenes Gespräch mit einer Halluzination von James Kirk – über Verletzlichkeit und darüber, dass er nie einen menschlichen besten Freund hatte.
Auf ihrer Schnitzeljagd durch die eigenen Erinnerungslücken merken Scotty und Ortegas, wie ähnlich sie sich sind: zwei Chaoten mit peinlichen Fehltritten aus der Akademiezeit. Aus den Streithähnen werden echte Freunde. Als sie schließlich eine Bombe an Bord entdecken und die Enterprise retten, verliert Scotty dabei einen Daumen – den die Medizin des 23. Jahrhunderts jedoch problemlos wieder anfügt.
Die Enterprise soll die abgedriftete Föderationssonde Angelo-1 bergen, die in klingonischen Raum nahe dem besetzten Planeten Mat’aar XII geraten ist. Die frisch beförderte Commanderin Una führt zusammen mit Dr. M’Benga und Fähnrich Uhura ihr erstes Außenteam per Shuttle. Als nach der Bergung ein klingonischer D7-Kreuzer auftaucht, befiehlt Captain Pike, auf dem Planeten zu landen und in der Bevölkerung unterzutauchen. Wegen der Infrarotstrahlung der Sonne ist fast die gesamte Episode in Schwarzweiß gehalten.
Am Kontrollpunkt hält ein Mat’aaraner namens Roman Una für „Nivette“, die totgeglaubte Anführerin des Widerstands – Una hat unwissentlich eine Doppelgängerin. Er bringt das Trio ins Hauptquartier, einen Nachtclub, wo Una eine mutmaßliche Verräterin verhören soll. Diese flüstert Una eine Frequenz zu (34,6 MHz) und stirbt an Borgia-Gift. Der klingonische Statthalter Kor, ein Nachkomme von Kahless, taucht mit seinem Gedanken-Scanner auf.
Ohne Papiere wird Uhura verhaftet und von Kor mit dem Mind Scanner verhört. Sie gibt sich – nach M’Bengas Rat, nah an der Wahrheit zu bleiben – als „Nyota Nukuru“ aus und hält der Befragung stand; nebenbei belauscht sie klingonische Pläne. M’Benga, als „Joseph Ruick“ getarnt, wird vom Barkeeper Jelem als Mitglied des mat’aaranischen Widerstands aufgeklärt, dessen Anführerin Nivette war.
Auf der Enterprise untersucht La’an die manipulierte Sonde und findet einen verschobenen Datenchip, doch Spock spielt den Verdacht auffällig herunter. Eine Signalspur führt zu Scotty und Ortegas, die die Drohne als Navigationsboje nutzen – und zu einer verborgenen Übertragung. Am Ende gesteht Chapel: Sie hatte den Chip während des Transports gelöscht, um ein Föderations-Medizinschiff zu decken, das die Demarkationslinie überschritt. Spock hatte Chapel geschützt, und La’an steht vor der Wahl, wegzusehen.
In Nivettes Büro finden Una und M’Benga deren Datenbank: Der Widerstand wollte das Neodym-Werk infiltrieren und mit einem EMP das planetare Sicherheitsnetz lahmlegen, das die Mat’aaraner gefangen hält. Nivette selbst entdecken sie ermordet in einer Kryo-Röhre. Uhura erfährt, dass die Klingonen binnen 24 Stunden die vollständige militärische Übernahme planen. Bei einem Becher Blutwein besteht Una Kors Loyalitätstest.
Una findet den Detonator, der auslöst, sobald er einen Kontrollpunkt passiert – eine Selbstmordmission. Roman enthüllt sich als Nivettes Mörder und Verräter; Una unterwirft ihn, verschont ihn jedoch und schiebt ihm dabei heimlich den Detonator zu. Als Roman zum Checkpoint rennt, um den Widerstand zu verraten, zündet der EMP: Das Netz fällt, die Mat’aaraner können fliehen, und Una überträgt Jelem die Führung. Weil auch der D7 im Orbit getroffen wird, kann das Enterprise-Team entkommen. Im Shuttle kommt Una für sich zu dem Schluss, dass sie mit ihrer Entscheidung leben kann.
Die Enterprise ist auf dem Weg nach Vulkan, wird wegen Orion-Piratenaktivität aber abgebremst. Lieutenant Montgomery Scott arbeitet an einer Reichweitensteigerung des Transporters und will mit Spocks Hilfe einen alten Rekord brechen. Parallel beenden Spock und La'An einvernehmlich ihre Beziehung, woraufhin Spock T'Pring an Bord bittet, um zu seiner inneren Ruhe und Logik zurückzufinden.
Während Spock von einem Shuttle aus zusieht, löst Scotts Experiment einen Stufe-5-Transporterunfall aus: Das Schiff verschwindet kurz und taucht wieder auf – die gesamte Crew ist in Puppen verwandelt, nur der im Shuttle befindliche Spock bleibt verschont. Weil die Puppenhände weder Konsolen noch Ausrüstung bedienen können, ist Spock der Einzige, der das Schiff noch steuern kann; das nächste Hilfsschiff ist zwei Tage entfernt.
Ein Orion-Schiff ortet nur eine einzige Lebensform an Bord, und Uhura verrät versehentlich die wahre Lage. Die Piraten entern die Enterprise und übernehmen die Brücke, können das Schiff ohne Befehlscodes aber nicht steuern. Als Spock die Codes verweigert, lässt Captain Ch'Rol den Puppen-Pike aus der Luftschleuse ins All werfen – doch Pike bleibt unversehrt. Die Crew erkennt, dass ihre Puppenform Vorteile birgt: kein Schmerz, keine bleibenden Verletzungen, selbst das Vakuum des Weltraums schadet ihnen nicht.
Pike schmiedet einen Plan, der genau diese Absurdität ausnutzt. T'Pring lässt sich fangen, dreht den Spieß gegen ihren Peiniger und weiht Spock per Gedankenverschmelzung ein. In einem chaotischen Puppen-Angriff überwältigt die Crew die Orions; Spock entzieht der Brücke die Luft und lässt Piraten wie sich selbst in Ohnmacht fallen, ehe die Crew ihm eine Sauerstoffmaske aufsetzt und die Piraten in den Arrest beamt. Scott behebt schließlich den Puppen-Effekt – doch die Crew genießt vorher noch einen letzten Ausflug ins offene All.
Spock erwacht neben einer noch immer als Puppe verbliebenen T'Pring – und sitzt im nächsten Moment in seinem Bett auf: Alles war ein Traum. Der Transporterunfall hatte nie das Schiff getroffen, sondern nur das Shuttle und Spock, der seither bewusstlos war. Nachdem die Ärzte Entwarnung geben, gehen Spock und die reale T'Pring gemeinsam auf einen Tee, bei dem sie mehr über seine Träume hören will.
Die Enterprise gerät in einen Slipstream, der sie an eine katastrophale Warpgrenze treibt.
Ein kosmischer Störenfried setzt die Enterprise-Crew in einer Seifenoper fest.
Admiral Simon Reeger setzt die Enterprise auf ein unsichtbares fremdes Raumschiff an.
