Dopo la fredda accoglienza riservata a Star Trek: The Motion Picture, il creatore Gene Roddenberry fu estromesso dalla produzione del sequel e relegato al ruolo puramente onorifico di consulente esecutivo.

Il produttore Harve Bennett, chiamato a realizzare il film con un budget molto più basso, ammise di non aver mai visto la serie televisiva originale; guardando gli episodi si convinse che serviva un vero cattivo e scelse Khan Noonien Singh, visto nell'episodio 'Space Seed'.

Anche il regista Nicholas Meyer non aveva mai visto un episodio di Star Trek: per scrivere la sceneggiatura definitiva in soli dodici giorni, senza accettare credito né compenso, stilò una lista di tutto ciò che gli piaceva nelle bozze precedenti e lo riunì in un unico script.

Il dispositivo che nelle prime bozze si chiamava 'Omega system' fu rinominato 'Genesis Device' su suggerimento del direttore artistico Michael Minor, che propose di trasformarlo da arma in strumento di terraformazione.

Leonard Nimoy inizialmente non voleva più interpretare Spock, ma accettò di tornare a condizione che il personaggio ricevesse una morte drammatica ed epica.

Kirk e Khan non si incontrano mai faccia a faccia nel film: tutte le loro interazioni avvengono tramite schermo o comunicatore, e le scene di William Shatner e Ricardo Montalbán furono girate a quattro mesi di distanza l'una dall'altra.

Contrariamente alle voci secondo cui Montalbán indossasse un torace protesico, il regista confermò che non fu usato alcun dispositivo artificiale per mostrare la sua muscolatura.

La morte di Spock fu girata in tre giorni a set chiuso, senza visitatori ammessi, e Nimoy chiese di poter inserire un modo per far tornare il personaggio in un film successivo.

Le reazioni negative del pubblico test alla morte di Spock e al tono cupo del finale spinsero Bennett a rendere il finale più positivo, aggiungendo la scena della bara sul pianeta Genesis, girata in un angolo incolto del Golden Gate Park di San Francisco per motivi di tempo, senza possibilità di reshoot.

Il film contiene la prima sequenza cinematografica interamente generata al computer, creata da Industrial Light & Magic per mostrare l'effetto del dispositivo Genesis su un pianeta arido; il team che la realizzò diede poi vita a Pixar.

Per risparmiare sul budget, il 65% del film fu girato riutilizzando gli stessi set del primo film: il ponte della Reliant e il simulatore erano semplici versioni modificate del ponte dell'Enterprise, e persino i modellini delle navi vennero riadattati da progetti precedenti.

Il compositore James Horner, allora ventottenne e alla sua prima grande colonna sonora, fu scelto perché i produttori non volevano uno stile alla John Williams; gli fu esplicitamente chiesto di non riutilizzare la musica di Jerry Goldsmith del primo film, pur riprendendo la fanfara originale della serie televisiva composta da Alexander Courage.

Meyer definì il proprio approccio 'Hornblower nello spazio', ispirandosi all'atmosfera avventurosa e navale dei romanzi di Horatio Hornblower, coerente col fatto che Khan cita il Capitano Achab di Moby Dick nella scena della sua morte.

Walter Koenig, il cui personaggio Chekov urla mentre viene infestato dall'anguilla Ceti, soprannominò scherzosamente il film 'Star Trek II: Chekov Screams Again', riferendosi a una scena simile nel primo film.