L'idea di un film prequel ambientato all'Accademia della Flotta Stellare fu discussa già nel 1968 dal creatore di Star Trek Gene Roddenberry, e riproposta a fine anni '80 da Harve Bennett, ma fu scartata a favore di Star Trek VI.

Dopo il fallimento commerciale di Star Trek: Nemesis e la cancellazione della serie Enterprise, Rick Berman ed Erik Jendresen svilupparono un film mai realizzato intitolato Star Trek: The Beginning, incentrato su un discendente di Kirk.

J.J. Abrams inizialmente si unì al progetto solo come produttore, ma accettò di dirigere il film dopo aver letto la sceneggiatura, temendo di essere invidioso di chiunque altro l'avesse diretto.

Per il ruolo di Kirk furono provinati anche Chris Pratt, Timothy Olyphant e Sebastian Stan; Chris Pine ottenne un secondo provino solo dopo che il suo agente incontrò la moglie di Abrams.

Zachary Quinto si rase le sopracciglia e si tinse e fece crescere i capelli per interpretare Spock, e manifestò per primo il proprio interesse per il ruolo in un'intervista del 2006 che attirò l'attenzione di Abrams.

Leonard Nimoy accettò di tornare nel ruolo di Spock solo dopo che i produttori gli dissero che il film non sarebbe stato realizzato senza di lui; fu così emotivamente sopraffatto dalla decisione che rimase in silenzio sulla sedia dopo l'incontro.

William Shatner avrebbe dovuto avere un cameo con un messaggio registrato per il giovane Spock, ma rifiutò perché voleva un ruolo importante quanto quello di Nimoy, arrivando a suggerire che il film riportasse in vita Kirk basandosi sui suoi romanzi.

Prima di Chris Hemsworth, Abrams aveva incontrato Matt Damon per il ruolo di George Kirk, padre del protagonista.

Chris Doohan, figlio del James Doohan originale interprete di Scotty, appare in un cameo nella sala teletrasporto, dopo che Simon Pegg gli scrisse promettendogli un tributo al padre.

Il film fu girato sotto il falso titolo di lavorazione 'Corporate Headquarters' per mantenere una segretezza estrema, al punto che gli attori venivano trasportati in golf cart coperti da teli neri e non potevano leggere l'intera sceneggiatura.

Un parcheggio fuori dal Dodger Stadium fu usato sia per il pianeta ghiacciato di Delta Vega sia per la piattaforma di trivellazione romulana su Vulcano.

Il film vinse l'Oscar al miglior trucco, l'unico premio Oscar mai vinto da un film di Star Trek.

La nave USS Kelvin prende il nome dal nonno di J.J. Abrams e dal fisico Lord Kelvin, mentre la 'red matter' a forma di sfera rossa richiama un motivo ricorrente presente fin dal pilot della serie Alias di Abrams.

Majel Barrett, vedova di Gene Roddenberry, completò il doppiaggio del computer dell'Enterprise solo due settimane prima della sua morte, e il film fu dedicato a lei e a Gene Roddenberry.