Leonard Nimoy refusa d'abord de revenir en tant que Spock en raison de droits d'auteur impayés de la série originale, de sorte que le personnage fut complètement exclu du scénario jusqu'à ce que le directeur général des studios Jeffrey Katzenberg vole à New York et, selon ses propres dires, se mette « à genoux pour supplier » Nimoy de rejoindre le film.

Stephen Collins fut le seul acteur personnellement engagé par le réalisateur Robert Wise, et il obtint le rôle de Decker alors qu'il était presque complètement ignorant de la franchise Star Trek, plus intéressé par le fait de travailler avec le réalisateur légendaire que par le rôle lui-même.

Persis Khambatta accepta de jouer Ilia même après que Gene Roddenberry l'ait avertie qu'elle devrait se raser complètement la tête pour le rôle.

James Doohan inventa seul le vocabulaire klingon entendu dans le film, que le linguiste Marc Okrand développa ensuite en un langage klingon entièrement formalisé.

Le projet traversa des années de faux départs, dont un premier scénario abandonné appelé « The God Thing » de Roddenberry, un traitement rejeté de Harlan Ellison, une histoire de trou noir de Robert Silverberg et John D. F. Black, et une version quasi-produite intitulée « Planet of the Titans » avec la conception de production de Ken Adam et Ralph McQuarrie sortant de Star Wars.

Avant de devenir un long métrage, l'histoire fut développée sous le titre « In Thy Image », le pilote d'une série télévisée prévue appelée Star Trek: Phase II, qui fut annulée seulement deux semaines et demie avant le début de la production quand Paramount décida de faire un long métrage à la place, licenciant les acteurs et l'équipe la même semaine qu'ils avaient été engagés.

Le scénario de tournage était en flux constant tel que les révisions étaient datées à l'heure, et les acteurs ont été avertis de ne pas mémoriser le dernier tiers du scénario car il continuait de changer pendant le tournage ; un dernier brouillon du troisième acte n'a été approuvé que fin septembre 1978.

L'ensemble V'Ger, surnommé « le Coliseum » ou « le wok microonde » par l'équipe, a été conçu et construit en seulement quatre semaines et demie, tandis que l'énorme maquette V'Ger de 68 pieds a été construite de l'arrière vers l'avant en utilisant des matériaux incluant du bois, de la mousse, du macramé, des tasses en polystyrène, et des lumières au néon et stroboscopiques.

L'ensemble de la salle des moteurs de l'Enterprise ne faisait que 40 pieds de long mais était rendu à l'écran comme étant des centaines de pieds de long grâce à la perspective forcée, un sol incliné et rétrécissant, et l'utilisation d'acteurs de petite taille comme figurants pour créer l'illusion de profondeur.

Le seul accessoire conservé de la série télévisée originale était l'oreillette sans fil d'Uhura, que Nichelle Nichols demanda spécifiquement le premier jour de tournage, après que la plupart de l'équipe de production l'ait oubliée.

Le budget du film gonfla d'un initial 15 millions de dollars à environ 44 millions de dollars, et bien qu'il ait gagné 139 millions de dollars dans le monde, cela s'avéra insuffisant par rapport aux attentes du studio, incitant Paramount à exiger une suite moins chère et à écarter Roddenberry du contrôle créatif pour Star Trek II : The Wrath of Khan.