故事发生在的二十三世纪，人类的科技发展已经到达了可以星际旅行的地步。2230年出生于瓦肯星的男孩史波克（扎克瑞·昆图 Zachary Quinto 饰），因为母亲阿曼达·格雷森（薇诺娜·赖德 Winona Ryder 饰）是人类，经常遭到同僚的嘲笑和欺负。父亲萨瑞克（本·克劳斯 Ben Cross 饰）是瓦肯星的一名外交官，史波克从小就不断地在严肃的瓦肯逻辑教育和他的人类情感之间挣扎。长大后的史波克遇到了同样怀着远大志向的柯克（克里斯·派恩 Chris Pine 饰），两人虽矛盾不断但通过种种任务考验逐渐开始互相理解。企业号的老舰长是克里斯托弗·派克（布鲁斯·格林伍德 Bruce Greenwood 饰），舰员则包括医疗官“老骨头”麦考伊（卡尔·厄本 Karl Urban 饰）、总工程师史考特（西蒙·佩吉 Simon Pegg 饰）、通讯官乌瑚拉（佐伊·桑塔纳 Zoe Saldana 饰）、舵手苏鲁（约翰·周 John Cho 饰），以及17岁的领航员——天才少年契柯夫（安东·尤金 Anton Yelchin 饰）。

一个努力维持家庭生活的男人发现了一个隐藏的客厅，并找到了解决方案……性爱机器人。

杰克（柯林·法瑞尔 Colin Farrell 饰）和卡雅（朱迪·特纳-史密斯 Jodie Turner-Smith 饰）收养了名叫米卡的华裔小姑娘，为了米卡能够接触属于自己种族的文化，杰克购买了仿生机器人杨（贾斯汀·闵 Justin H. Min 饰）。之后，杨成了米卡最好也是最信赖的朋友，同时也成为了这个家庭里不可或缺的一份子。随着时间的推移，米卡渐渐长大，而杨也因为零件老化等问题，机能发生了故障。杰克想要找人修好杨，但因为杨是一款“二手”的机器人，所以自然没有任何的售后保障。杰克通过特殊的手段获得了记录了杨自出厂以来全部记忆的内存条，在播放这些画面的过程中，杰克发现了杨的一些不为人知的记忆。

警方设立一个名为“2002”的部门，专门对付祸害人间的游魂野鬼。部门内潮（谢霆锋 饰）是拥有阴阳眼的人类，Sam（李灿森 饰）则是个鬼魂，整个部门便由这一人一鬼组成。期间他们遇到了形形式式的加害人类的鬼魂，并一一收复了。后来潮受死去的四婆所托，帮忙照顾住院中的孙女Rain（李彩桦 饰）。潮爱上了医院中的一名护士。但他要专心于Sam一起对付水鬼，这场争斗将决定他们的生死。

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一颗具有新的生物武器的美国卫星失去控制，坠毁在美国领土上。一个黏糊糊的怪物出现了，并设法逃跑，杀死了所有阻碍他道路的人。警察麦克默中尉得到了阻止这个杀人机器的工作。

当一个被忽视的小男孩与大脚怪建立起联系并发现这只类似人类的猿猴处于危险之中时，他必须鼓起勇气，对抗那些比他更强大的生物，以拯救这个传说中的生物并将他释放。

娜塔莉的男友遇害后，她制造了一台机器，通过改变自己的记忆来改变过去。一名联邦调查局特工、娜塔莉的姐姐和心理医生都试图阻止她自残，但毫无效果。她愿意不惜一切代价，让他回来。

一颗流星撞击地球后，一位孤独的牧场主和一位迷路的年轻女孩开始逃亡，躲避凶恶的雇佣兵。

琴（法米克·詹森 Famke Janssen 饰）的死亡在X战警中造成了持续的影响，斯科特和金刚狼罗根（休•杰克曼 Hugh Jackman 饰）恍然若失。学院的教学任务落在了风暴女（哈莉•贝瑞 Halle Berry 饰）和金刚狼等人的肩上，异种人在这里才能得到身份的认同。某公司从一名异种人儿童的基因中提取出了还原变异的X基因的“解药”，可以令异种人的身体与常人无异，解药的问世在异种人中引起了强烈反响，万磁王（伊安•麦克莱恩 Ian McKellen 饰）四处联系不愿改变体质的异种人，试图用暴力反抗人类社会的不公平待遇。金刚狼等人发现琴并未死去，而且她被唤醒的第二重人格拥有极为强大的力量，X教授（帕特里克•斯图尔特 Patrick Stewart 饰）和万磁王各自争取琴，她成为了改变异种人世界的关键人物…

这个故事展现了一段错综复杂的时间之旅中人物情绪的起伏，以及这段旅程如何影响着不同人物的命运。过去、现在和未来的冲突，以及对失去和悲伤的接受，构成了故事的核心，而怀表作为核心元素，则展现了时间的力量。这部电影讲述了悲伤的过程以及如何应对死亡。疯子杰克（大卫·凯特饰）渴望报复约翰·帕克（加布里埃尔·霍尔泽饰），却因此而身败名裂。另一方面，约翰·帕克接受了命运，学会了放手，最终找到了内心的平静。故事伊始，约翰·帕克注意到他的怀表停了下来。时间女士艾奥娜（娜丁·格罗辛格饰）向他解释了他怀表和另一块怀表的来历，并要求归还。在一段令人心碎的时光中，他得知了哥哥皮特·帕克（约翰内斯·维克饰）的死讯。从这一刻起，他开始了应对悲伤的五个阶段。他经历了否认、愤怒、讨价还价、沮丧和接受等阶段。与此同时，疯子杰克用另一块怀表回到了 1979 年。在那里，他请物理学家詹娜 (斯蒂芬妮·莱克瑟饰) 帮他修理在时间跳跃中损坏的怀表。他还带着皮特·帕克一起踏上了这段时间之旅，并将他囚禁起来，使他身受重伤。约翰·帕克仍然相信他的兄弟已经死了，在故事的发展过程中，他设法使他的怀表再次运转，并回到了 1979 年，在那里他必须面对疯子杰克和他的复仇行为。约翰能救他的兄弟吗？他能满足艾奥娜对两块怀表的要求吗？

Sarah(凯伦·吉兰 饰)在收到绝症诊断后，决定用克隆技术复制自己，以减轻她的离世对朋友和家人造成的痛苦；可她却奇迹般地康复了。然而，此时她申请销毁自己的克隆复制品的尝试却失败了，法院授权判罚：本体和克隆体必须进行决斗，两人只能活下来一个。