Le réalisateur Leonard Nimoy et le producteur Harve Bennett ont souhaité réaliser un film au ton léger portant un message écologique, sans villain clairement défini ; cette vision a été soutenue par Paramount avec une liberté totale.

Avant que William Shatner ne consente à revenir dans le film, Nimoy et Bennett ont envisagé pendant huit mois l'idée d'un préquel sur des jeunes personnages à l'Académie Starfleet.

Le rôle de Gillian Taylor a été originellement écrit pour Eddie Murphy en tant qu'astrophysicienne à Berkeley ; Murphy ayant rejeté cette idée, le rôle a été fusionné avec celui d'une biologiste marine et d'une journaliste pour devenir Gillian Taylor, jouée par Catherine Hicks.

Avant de sélectionner Catherine Hicks, Nimoy l'a invitée à un déjeuner en compagnie de Shatner et a pris sa décision en observant la chimie entre eux.

De nombreuses scènes impliquant le personnage de Christine Chapel, incarnée par Majel Barrett, ont été coupées au montage ; cela a frustré l'actrice et elle s'est finalement retrouvée limitée à une seule réplique et un plan de réaction.

Le personnage punk rock dans la scène du bus a été incarné par Kirk Thatcher, assistant réalisateur du film ; Thatcher a convaincu Nimoy de lui raser les cheveux en mohawk et a joué le rôle lui-même.

Contrairement aux films Star Trek précédents, le film a été tourné en extérieurs intensivement pendant dix jours à San Francisco ; c'était la première fois qu'on réalisait un tournage en décors aussi complet.

Pour la scène où le vaisseau descend vers le Parc du Golden Gate, les fortes pluies ont rendu impossible l'utilisation du parc réel, et le tournage s'est déroulé à la place au Will Rogers Park à Los Angeles.

La scène où Uhura et Chekov interrogent les passants à propos du navire nucléaire a été tournée à la caméra cachée ; les figurants recrutés dans la rue savaient en réalité qu'ils étaient filmés, et l'un d'eux s'était porté volontaire après qu'on lui ait remorqué sa voiture.

La plupart des baleines du film n'étaient pas réelles ; ILM a développé ses propres modèles de baleines miniatures, longues de quatre pieds et auto-actionnées, tournés pendant deux semaines dans la piscine d'un lycée à San Mateo.

Les têtes des membres d'équipage se transformant l'une en l'autre dans la séquence de rêve ont été créées par animation informatique en utilisant des modèles de crâne numérisés avec la technologie de scan 3D développée par Cyberware, et le rendu de ces trente secondes d'images a pris des semaines.

Pour le son de travail de la Sonde, le concepteur sonore Mark Mangini a demandé à Nimoy comment la Sonde devrait sonner, et il a enregistré le son instinctif 'wub-wub-wub' que Nimoy a produit, puis l'a légèrement dégradé.

La chanson punk 'I Hate You' de la scène du bus a été enregistrée d'une seule prise dans un couloir avec des microphones bon marché après que l'enregistrement en studio propre n'ait pas donné l'effet souhaité.

Star Trek IV a été le premier film Star Trek projeté en Union soviétique ; il a été présenté à Moscou le 26 juin 1987 par la Fondation mondiale pour la protection de la nature pour célébrer l'interdiction de la chasse aux baleines.

Le film a été dédié à l'équipage de la navette Challenger, qui s'est désintégrée 73 secondes après le décollage matin du 28 janvier 1986.