Film Star Trek: Section 31 membawa penonton dalam sebuah petualangan lintas semesta yang penuh intrik dan aksi. Cerita dimulai di Mirror Universe, sebuah realitas alternatif yang dikuasai oleh Terran Empire yang kejam. Di sana, Philippa Georgiou muda kembali dari sebuah kontes mematikan untuk menentukan siapa yang akan menjadi Kaisar berikutnya. Ia mengungkapkan kepada keluarganya bahwa ia berteman dengan seorang anak laki-laki bernama San dan mereka berhasil mengalahkan kontestan muda lainnya bersama-sama. Namun, untuk mengklaim takhta, Georgiou memutuskan semua ikatan dengan kehidupan sebelumnya dengan meracuni keluarganya. Kemudian, pejabat Imperial datang dengan San, yang gagal membunuh keluarganya sendiri, dan Georgiou memperbudaknya saat ia naik takhta.
Lompat ke Prime Universe di awal abad ke-24, agen-agen dari divisi rahasia Starfleet, Section 31, dikirim ke stasiun luar angkasa Baraam di luar wilayah Federasi. Georgiou, yang telah melakukan perjalanan ke Prime Universe dan bergabung dengan Starfleet untuk sementara waktu, menyamar sebagai pemilik Baraam, dengan nama samaran “Madame du Franc”. Agen Section 31, Alok Sahar, meyakinkan Georgiou untuk bergabung dengan timnya, yang beranggotakan Melle, seorang Deltan yang memesona; Quasi, seorang Chameloid yang bisa berubah wujud; Zeph, pengguna exoskeleton mekanik; Rachel Garrett, seorang perwira Starfleet tanpa basa-basi; dan Fuzz, seorang Nanokin mikroskopis yang mengendalikan setelan robot yang menyerupai Vulcan. Mereka mencegat pedagang senjata Dada Noe di Baraam dan Georgiou menempatkan “phase pod” pada senjata yang ia jual agar hanya mereka yang memiliki phase pod sendiri yang dapat menyentuhnya. Sosok bertopeng dengan phase pod mengambil senjata itu dan membunuh Melle. Sebelum penyusup itu berteleportasi dari stasiun, Georgiou mengenali senjata itu sebagai “Godsend” yang sebelumnya ia pesan pengembangannya di Mirror Universe. Senjata itu dirancang untuk menghancurkan segala sesuatu di jalurnya.
Alok mendapatkan kepercayaan Georgiou dengan mengungkapkan latar belakangnya: ia berasal dari abad ke-20 dan keluarganya dibunuh selama Eugenics Wars oleh seorang panglima perang yang ditingkatkan secara genetik bernama Giri, yang meningkatkan Alok dan memaksanya melakukan kekejaman atas namanya. Mereka berdua menginterogasi Dada Noe di safe house Section 31 dan mengetahui bahwa ia berasal dari Mirror Universe. Ia mencuri Godsend dari fasilitas senjata, dan menjualnya ke Terran Empire yang berencana memasuki Prime Universe melalui lubang cacing dan menaklukkannya. Ketika safe house disabotase dan kapal mereka dihancurkan, tim Section 31 percaya bahwa pria bertopeng itu diberi tahu oleh salah satu dari mereka. Zeph menghilang dan yang lain mencurigainya sebagai mata-mata, tetapi mereka menemukannya tewas dan bukti mengarah pada Garrett sebagai pembunuhnya. Georgiou menyimpulkan bahwa Fuzz menyusup ke exoskeleton Zeph, memaksanya untuk menyabotase komunikasi mereka dan kemudian bunuh diri, dan menanam bukti. Fuzz berteleportasi, tetapi pertama-tama ia mengungkapkan bahwa San – yang Georgiou kira sudah mati – adalah pria bertopeng itu.
Tim menggunakan kapal sampah terlantar untuk mengikuti San. Quasi dan Garrett melumpuhkan perisai San dengan tractor beam kapal sementara Georgiou dan Alok berteleportasi ke kapalnya. Alok melawan setelan robot Fuzz, tetapi Fuzz meninggalkan setelan itu untuk menyerang kapal sampah. San bermaksud menghancurkan Prime Universe dengan Godsend dan menciptakan kerajaannya sendiri yang akan diperintah dengan “belas kasihan yang benar” sebagai kontras dengan kediktatoran kejam Georgiou. Saat mereka berdua bertarung, Godsend secara tidak sengaja aktif. Garrett memasang bahan peledak dari sampah kapal yang diluncurkan Quasi ke luar angkasa, tampaknya membunuh Fuzz. San mencoba menikam Georgiou tetapi dia menahannya dan dia menikam dirinya sendiri secara fatal, sekarat di pelukannya. Alok dan Georgiou memutuskan untuk menerbangkan kapal San melalui lubang cacing, mengorbankan diri mereka sendiri sambil mengarahkan Godsend ke Mirror Universe. Quasi mentransportasikan mereka keluar dari kapal pada saat terakhir.
Tiga minggu kemudian, anggota tim yang selamat berkumpul kembali di Baraam. Mereka bergabung dengan istri Fuzz, Wisp, yang mengendalikan setelan robot Vulcan yang identik dan percaya suaminya selamat dari ledakan. “Control”, direktur Section 31, menghubungi tim tentang misi berikutnya yang berada di Turkana IV.
