Après avoir répondu à un signal de détresse de l'USS Enterprise, l'USS Discovery accueille à son bord le capitaine Christopher Pike et commence une nouvelle mission pour enquêter sur la signification de sept mystérieux signaux rouges.

Un nouveau signal apparaît, provoquant le retour émotionnel de Stamets dans le réseau mycélien et conduisant Burnham, Pike et Owosekun sur une planète pré-distorsion.

Un visiteur surprise de l'USS Discovery apporte des nouvelles choquantes sur Spock et réveille les regrets de Burnham. Après l'incident de l'astéroïde, Tilly lutte pour garder le contrôle de sa réalité. L'autorité de L'Rell sur Qo'noS est menacée.

Une mystérieuse sphère menace l'USS Discovery alors que May, sous sa forme originale, met en place un plan qui met la vie de Tilly en danger. Le lien entre Saru et Burnham se renforce lorsque Saru est forcé de reconnaître une vérité dérangeante.

Burnham et l'équipage naviguent dans un paysage extraterrestre dangereux pour sauver la vie de Tilly, mais Stamets n'est pas du tout préparé à ce qu'ils trouvent en cours de route. La section 31 est chargée d'aider à retrouver Spock.

Lorsqu'un nouveau signal apparaît au-dessus de la planète natale de Saru, Burnham, Saru et l'équipage se lancent dans une mission périlleuse qui met Saru en danger et soulève des questions sur les intentions de l'Ange rouge.

Burnham se rend sur Vulcain à la recherche de Spock, où elle découvre de surprenants secrets de famille. En recherchant ce qui reste du signal de l'Ange rouge sur Kaminar, Pike et Tyler se retrouvent dans une bataille avec le temps lui-même.

Spock et Burnham vont sur Talos IV, où le processus de guérison de Spock les oblige à affronter leur passé conflictuel. Stamets tente de renouer avec un Hugh de plus en plus déconnecté, et Tyler s'efforce de se défaire des soupçons de l'équipage.

Quand l'équipage du Discovery s'infiltre dans la section 31, on soupçonne la présence d'un traître au sein de l'équipage. Burnham tente d'aider Spock, mais ça ne se passe pas comme prévu.

Burnham est stupéfaite lorsqu'elle apprend que ses liens avec la section 31 sont plus profonds qu'elle ne l'avait imaginé. Armé de l'identité de l'Ange rouge, l'USS Discovery se lance dans sa mission la plus importante jusqu'à présent.

Burnham obtient les retrouvailles qu'elle attendait depuis longtemps, mais cela ne se passe pas comme elle l'avait imaginé. Georgiou et Tyler sentent un changement inquiétant chez Leland.

Un quatrième signal conduit l'USS Discovery sur un monde insulaire, où Pike est obligé de faire un choix qui changera sa vie. Burnham et Spock enquêtent sur un vaisseau rebelle de la section 31 et font une découverte aux conséquences catastrophiques.

Lorsque la mission cruciale de l'USS Discovery ne se déroule pas comme prévu, Burnham réalise ce qui doit être fait en fin de compte. L'équipage se prépare à la bataille de sa vie alors que les vaisseaux de contrôle de Leland se rapprochent.

Fin de la deuxième saison. L'équipage de l'USS Discovery explore de nouveaux mondes et civilisations.