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Desta vez, Kirk, Spock e a tripulação da Enterprise encontram-se no terceiro ano da missão de exploração do espaço prevista para durar cinco anos. Eles recebem um pedido de socorro que acaba os ligando ao maléfico vilão Krall, um insurgente Anti-Frota Estelar interessado em um objeto de posse do líder da nave. A Enterprise é atacada, e eles acabam em um planeta desconhecido, onde o grupo acaba sendo dividido em duplas.
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Dr. Hank Pym (Michael Douglas), o inventor da fórmula/ traje que permite o encolhimento, anos depois da descoberta, precisa impedir que seu ex-pupilo Darren Cross (Corey Stoll), consiga replicar o feito e vender a tecnologia para uma organização do mal. Depois de sair da cadeia, o trambiqueiro Scott Lang (Paul Rudd) está disposto a reconquistar o respeito da ex-mulher, Maggie (Judy Greer) e, principalmente, da filha. Com dificuldades de arrumar um emprego honesto, ele aceita praticar um último golpe. O que ele não sabia era que tudo não passava de um plano do Dr. Pym que, depois de anos observando o hábil ladrão, o escolhe para vestir o traje do Homem-Formiga.