Leonard Nimoy inicialmente se negó a regresar como Spock debido a regalías no pagadas de la serie original, por lo que el personaje quedó excluido del guion hasta que el ejecutivo de estudios Jeffrey Katzenberg voló a Nueva York y, según su propio relato, se arrodilló suplicándole a Nimoy que se uniera nuevamente a la película.

Stephen Collins fue el único actor elegido personalmente por el director Robert Wise, y consiguió el papel de Decker a pesar de estar casi completamente desfamiliarizado con la franquicia de Star Trek, más interesado en trabajar con el legendario director que en el papel en sí.

Persis Khambatta aceptó interpretar a Ilia incluso después de que Gene Roddenberry le advirtiera que tendría que afeitarse completamente la cabeza para el papel.

James Doohan inventó el vocabulario klingon que se escucha en la película por su cuenta, que el lingüista Marc Okrand más tarde expandió en un lenguaje klingon completamente desarrollado.

El proyecto pasó por años de falsos comienzos, incluyendo un primer guion abandonado llamado 'The God Thing' de Roddenberry, un tratamiento rechazado de Harlan Ellison, una historia de agujero negro de Robert Silverberg y John D. F. Black, y una versión casi producida titulada 'Planet of the Titans' con diseño de producción de Ken Adam y Ralph McQuarrie recién salidos de Star Wars.

Antes de convertirse en una película de largometraje, la historia se desarrolló como 'In Thy Image', el piloto de una serie televisiva planeada llamada Star Trek: Phase II, que fue cancelada solo dos semanas y media antes de que la producción debiera comenzar cuando Paramount decidió hacer una película de largometraje en su lugar, despidiendo a actores y equipos dentro de la misma semana en que fueron contratados.

El guion de rodaje estaba en tal flujo constante que las revisiones eran fechadas por la hora, y se les dijo a los actores que no memorizaran el tercio final del guion porque seguía cambiando durante el rodaje; un borrador final del tercer acto no fue aprobado hasta finales de septiembre de 1978.

El set de V'Ger, apodado 'el Coliseo' o 'el microondas wok' por el equipo, fue diseñado y construido en solo cuatro semanas y media, mientras que el masivo modelo de V'Ger de 68 pies fue construido de atrás hacia adelante utilizando materiales que incluyen madera, espuma, macramé, vasos de poliestireno, y luces de neón y estroboscópicas.

El set de la sala de máquinas de la Enterprise tenía solo 40 pies de largo pero fue hecho para parecer cientos de pies de largo en pantalla mediante perspectiva forzada, un piso sesgado y estrechándose, y el uso de actores de baja estatura como extras para crear la ilusión de profundidad.

El único accesorio retenido de la serie de televisión original fue el auricular inalámbrico de Uhura, que Nichelle Nichols específicamente solicitó el primer día de rodaje, después de que la mayoría del equipo de producción se había olvidado de él.

El presupuesto de la película se disparó de los 15 millones de dólares iniciales a aproximadamente 44 millones de dólares, y aunque ganó 139 millones de dólares en todo el mundo, esto quedó por debajo de las expectativas del estudio, lo que llevó a Paramount a exigir una secuela más barata y apartar a Roddenberry del control creativo de Star Trek II: The Wrath of Khan.