Le projet d'une série animée est né dès la troisième saison de la série originale, avec une proposition initiale visant un public jeune où l'équipage du Capitaine Kirk formerait un équipage d'adolescents à bord d'un vaisseau appelé Excalibur ; ce concept fut abandonné à cause des relations tendues entre Gene Roddenberry et Paramount.

Un accord fut finalement conclu début 1973 et annoncé en mars de la même année : NBC accorda des conditions très généreuses, avec deux saisons garanties totalisant 22 épisodes, un budget de 75 000 dollars par épisode et un contrôle créatif total laissé à Gene Roddenberry.

Le personnage de Pavel Chekov n'apparaît pas dans la série animée car le budget ne permettait pas d'engager tout le casting original ; il fut remplacé par deux nouveaux personnages extraterrestres, le lieutenant Arex et le lieutenant M'Ress.

Lorsque Leonard Nimoy arriva à la première session d'enregistrement, il remarqua l'absence de George Takei et Nichelle Nichols, non engagés pour des raisons budgétaires, et refusa de prêter sa voix à Spock tant qu'ils ne seraient pas intégrés au casting, invoquant la diversité ethnique de l'univers Star Trek et sa volonté d'aider financièrement ses anciens collègues.

Pour compenser l'absence de Walter Koenig (Chekov) à l'écran, Filmation lui acheta un scénario d'épisode, intitulé 'The Infinite Vulcan', faisant de lui le premier acteur de la série à en écrire un épisode.

Les trois premiers épisodes furent enregistrés en groupe avec tous les acteurs présents en même temps, mais les épisodes suivants furent enregistrés séparément ; William Shatner et Leonard Nimoy, alors en tournée théâtrale, enregistraient leurs répliques dans les villes où ils se produisaient et envoyaient les bandes au studio par courrier.

Faute de budget suffisant après avoir engagé la quasi-totalité du casting original, Filmation dut réduire les coûts d'animation en réutilisant des images d'archives et en recourant à des astuces comme faire porter la main à la bouche d'un personnage pour éviter d'animer ses lèvres, ou silhouetter les personnages en action.

Le thème musical original composé par Alexander Courage fut abandonné au profit d'un nouveau thème crédité à Yvette Blais et Jeff Michael, pseudonymes respectifs du compositeur Ray Ellis et du producteur Norm Prescott ; ce changement s'expliquerait par une brouille persistante entre Courage et Roddenberry au sujet des droits sur les rediffusions de la série originale.

C'est dans cette série animée, via l'épisode écrit par David Gerrold, que le prénom intermédiaire du Capitaine Kirk, 'Tiberius', fut établi pour la première fois, inspiré du personnage de la série 'I, Claudius'.

Star Trek: The Animated Series fut la première série de la franchise à remporter un Emmy Award, celui de la meilleure série pour enfants en 1975, malgré son annulation.