Een wetenschapper, dr. Samuell (Sam) Beckett, 'springt' door een mislukt experiment met een tijdmachine in het lichaam van een persoon uit het verleden. De sprongen blijken willekeurig; wel moet dokter Beckett er iedere sprong voor zorgen dat de persoon een bepaald probleem in zijn leven oplost, waardoor grotere problemen in de toekomst worden voorkomen. Hij wordt hierin bijgestaan door collega en vriend Albert (Al) Calavicci die als een hologram aan hem verschijnt.

De serie begint in het jaar 2364, ongeveer een eeuw na Star Trek: The Originele serie. Starfleet heeft inmiddels een nieuwe U.S.S. Enterprise gebouwd: de Enterprise-D. Het schip staat onder het commando van de strenge kapitein Jean-Luc Picard. Andere bemanningsleden zijn o.a. de eerste officier William T. Riker, de Klingon Worf, de androïde Data, de blinde Geordi La Forge, de empathische Deanna Troi en de scheepsarts Beverly Crusher. Onderweg beleven ze allerlei avonturen, variërend van ontmoetingen met nieuwe rassen tot de ontdekking van een parallel universum.