L'idée d'une préquelle Star Trek suivant les personnages de l'Académie Starfleet a été soulevée pour la première fois par le créateur de la série Gene Roddenberry en 1968, et a refait surface à la fin des années 1980 comme une intrigue possible pour ce qui est devenu Star Trek VI, avant d'être rejetée par Roddenberry.

Après la scission de 2005 entre Viacom et CBS, l'ancienne présidente de Paramount Gail Berman a convaincu Leslie Moonves de CBS de donner à Paramount dix-huit mois pour développer un nouveau film Star Trek ou perdre les droits cinématographiques, ce qui a conduit à l'embauche d'Orci et Kurtzman et à l'arrivée d'Abrams en tant que producteur avant qu'il ne décide de réaliser.

J. J. Abrams a admis qu'il n'avait jamais vu Star Trek: Nemesis et que, enfant, il préférait en réalité les films Star Wars, mais il a accepté de se lancer dans le projet parce qu'il pensait que sa perspective de public général le rendait bien adapté pour réintroduire la franchise auprès des néophytes.

La première audition de Chris Pine pour le rôle de Kirk a été, selon ses propres dires, terrible ; il n'a eu une deuxième chance face à Zachary Quinto que après que son agent ait rencontré la femme d'Abrams, et après avoir décroché le rôle, il a écrit à William Shatner et a reçu une réponse approuvant son casting.

L'intérêt de Zachary Quinto pour jouer Spock a été déclenché par une interview de décembre 2006 avec le Pittsburgh Post-Gazette qui a circulé largement et a attiré l'attention d'Abrams ; pour son audition, il s'est rasé les sourcils, a teint et s'est laissé pousser les cheveux, et a attaché ses doigts pour pratiquer le salut vulcain.

Leonard Nimoy a été tellement submergé émotionnellement après qu'on lui ait dit à quel point il était important pour le projet qu'il s'est assis en silence dans son fauteuil après la réunion avec Abrams et les scénaristes, et la production aurait été retardée pour réécrire le scénario s'il ne l'avait pas aimé.

Abrams était initialement préoccupé par le casting de l'Américain d'origine coréenne John Cho dans le rôle du personnage japonais Sulu, mais l'acteur original de Sulu George Takei l'a convaincu que le personnage était censé représenter toute l'Asie à bord de l'Enterprise.

William Shatner s'est vu proposer une apparition en tant que message d'anniversaire enregistré de Kirk au jeune Spock, mais il l'a refusée parce qu'il voulait un rôle plus important et a suggéré d'utiliser ses romans dans lesquels Kirk est ressuscité, une idée qu'Abrams a rejetée.

La production s'est déroulée sous un secret très strict en utilisant le faux titre de travail « Corporate Headquarters », avec des acteurs transportés en voiturettes de golf aux vitres teintées et même Simon Pegg lisant le scénario uniquement en présence d'un garde de sécurité.

La grève de la Writers Guild of America a commencé juste avant le tournage, empêchant Abrams, membre de la WGA, de modifier le dialogue sur le plateau, bien que les producteurs exécutifs non-WGA Orci et Kurtzman puissent toujours signaler aux acteurs par des expressions faciales quand une réplique ne fonctionnait pas.

Industrial Light & Magic a utilisé des vaisseaux entièrement numériques pour le film au lieu des maquettes physiques utilisées dans la plupart des films Star Trek précédents.

L'USS Kelvin est nommée d'après le grand-père de J. J. Abrams et le physicien Lord Kelvin, tandis que le nom du Capitaine Robau fait référence à l'oncle cubain de Roberto Orci.

Uhura commande la boisson fictive Slusho dans un bar, un clin d'œil aux travaux antérieurs d'Abrams Alias et Cloverfield, et la forme sphérique de la matière rouge fait écho à un motif de ballon rouge récurrent du pilote d'Alias.

Le film a remporté l'Academy Award for Best Makeup, le seul Academy Award qu'aucun film Star Trek n'a jamais remporté.