J.J. Abrams, regista dei primi due film del reboot, tornò solo come produttore per potersi concentrare sulla regia di Star Wars: Il risveglio della Forza. Roberto Orci venne inizialmente annunciato come regista nel 2014, ma il suo ruolo fu poi ridotto a solo produttore.
Prima che Justin Lin fosse scelto come regista, furono considerati anche Edgar Wright, Rupert Wyatt, Morten Tyldum, Daniel Espinosa e Duncan Jones, mentre l'attore e regista Jonathan Frakes espresse interesse per il ruolo. Lin accettò dopo aver rifiutato un'offerta della Universal di dirigere Fast & Furious 8.
Simon Pegg e Doug Jung furono ingaggiati nel gennaio 2015 per riscrivere completamente la sceneggiatura precedente, ritenuta dallo studio 'troppo Star Trek' e poco inclusiva per un pubblico più ampio. Pegg disse che la soluzione fu creare una sorta di western o film d'azione con personaggi di Star Trek per renderlo più accessibile.
Pegg e Jung usarono Memory Alpha, il wiki dei fan di Star Trek, come fonte di riferimento durante la scrittura della sceneggiatura.
Nel 2014 William Shatner fu contattato da J.J. Abrams per un possibile ruolo nel film, ma con il cambio di sceneggiatura l'idea non si concretizzò mai.
Alice Eve non compare nel film, nonostante il suo personaggio si fosse unito all'equipaggio dell'Enterprise nel film precedente, perché Simon Pegg non trovò nulla di significativo da farle fare nella sceneggiatura.
Il personaggio del cyborg ufficiale scientifico 0718, interpretato da Joseph Gatt, fu tagliato dal film dopo una riscrittura della sceneggiatura.
L'imprenditore Jeff Bezos, fondatore di Amazon, compare in un cameo nei panni di un ufficiale alieno della Flotta Stellare, mentre l'allenatore di calcio Carlo Ancelotti appare brevemente come medico alla base stellare Yorktown.
Le riprese principali iniziarono il 25 giugno 2015 a Vancouver e Squamish (Columbia Britannica), dopo diversi ritardi causati da molteplici bocciature della sceneggiatura, e si conclusero il 15 ottobre 2015; altre location includono Seul, Dubai e il Nahanni National Park Reserve nei Territori del Nordovest canadesi.
Nel marzo 2016 furono girate scene aggiuntive (reshoot) durante le quali venne aggiunta al cast l'attrice Shohreh Aghdashloo nel ruolo del Commodoro Paris.
La canzone 'Sabotage' dei Beastie Boys, già usata nel trailer del film, viene utilizzata anche nella scena della battaglia finale, dove l'equipaggio scopre che lo sciame nemico è vulnerabile alle alte frequenze radio.
Il compositore Michael Giacchino, che aveva già scritto le colonne sonore dei primi due film del reboot, tornò a comporre la musica anche per questo capitolo, mentre la cantante Rihanna pubblicò il singolo 'Sledgehammer' per i titoli di coda.
Il film è dedicato alla memoria di Anton Yelchin e Leonard Nimoy, entrambi scomparsi poco prima dell'uscita della pellicola; Yelchin morì in un incidente d'auto il 19 giugno 2016, dopo aver terminato le sue scene nel ruolo di Chekov, che risultò così la sua ultima interpretazione del personaggio.
L'attore George Takei, storico interprete di Sulu nella serie originale, criticò la scelta degli sceneggiatori di rendere il personaggio omosessuale, ritenendo che tradisse la visione originale di Gene Roddenberry; Simon Pegg rispose che la scelta era un omaggio allo status di attivista LGBT dello stesso Takei.
Nonostante le recensioni generalmente positive, il film ebbe un rendimento finanziario deludente, arrivando a perdere una stima di 50,5 milioni di dollari a causa dell'uscita in un'estate affollata da altri blockbuster come Suicide Squad e Jason Bourne.
Dopo Star Trek Beyond, un quarto film del reboot entrò in sviluppo con il possibile ritorno di Chris Hemsworth nel ruolo di George Kirk, ma il progetto attraversò anni di riscritture e cambi di regista (incluso un tentativo di Quentin Tarantino) prima di essere definitivamente cancellato.
