Il progetto del sequel fu concordato subito dopo l'uscita di Star Trek (2009), ma la sceneggiatura richiese anni di lavoro: Kurtzman e Orci iniziarono a scriverla nel giugno 2009, inizialmente pensando di dividerla in due parti.

Nel 2010 era stata fissata una data di uscita per giugno 2012, ma la mancanza di uno script definitivo e l'incertezza sul coinvolgimento di Abrams come regista fecero slittare il film di sei mesi, poi rimandato al 2013.

Il film era stato originariamente concepito come una rilettura di Cuore di tenebra di Joseph Conrad, con il tema centrale di quanto si è disposti a spingersi per vendetta e giustizia contro un nemico che fa paura.

Damon Lindelof ha raccontato che scegliere il titolo fu più complicato che girare il film stesso, scherzando di aver preferito 'Star Trek: Transformers 4' perché tecnicamente disponibile.

Benicio del Toro fu inizialmente cercato per il ruolo del villain e incontrò Abrams per discuterne, ma alla fine si ritirò dal progetto.

Anche Demián Bichir fece un provino per il ruolo del cattivo, ma la parte fu infine assegnata a Benedict Cumberbatch, annunciato ufficialmente il 4 gennaio 2012.

Chris Pine ha rivelato di aver dovuto ingrassare per interpretare il capitano Kirk in questo film.

Le riprese iniziarono il 12 gennaio 2012 e si conclusero a maggio dello stesso anno, con location a Los Angeles, al Lawrence Livermore National Laboratory, ai Paramount e Sony Pictures Studios, alla Crystal Cathedral, alla Greystone Mansion e anche in Islanda.

Il regista Edgar Wright ha diretto personalmente un'inquadratura del film.

Marc Okrand, creatore della lingua klingon, fornì i dialoghi in klingon con coaching sul set, ma dopo il montaggio le battute non avevano più senso coerente e dovettero essere ridoppiate in post-produzione.

Durante le riprese al National Ignition Facility, Simon Pegg e Chris Pine organizzarono uno scherzo ai danni dei colleghi, facendo credere loro che ci fosse 'radiazione ambientale' e che servisse una 'crema al neutrone' per proteggersi; Cumberbatch firmò un'autorizzazione senza leggerla, mentre Urban e Cho furono convinti a registrare un finto spot di pubblica utilità sulla crema.

I figli del regista J. J. Abrams, Henry e Gracie, compaiono come comparse nella scena in cui la Vengeance si schianta su San Francisco.

La scena in cui Kirk entra nella camera del reattore verso la fine del film è concepita come un'inversione di ruoli rispetto a una scena analoga di Star Trek II: L'ira di Khan.

Il regista di Star Trek II, Nicholas Meyer, rivelò nel 2018 di essere rimasto deluso dal film, criticando il fatto che l'omaggio alle scene originali non aggiungesse nulla di nuovo, limitandosi a mettere le stesse parole in bocca a personaggi diversi.

Il casting di Cumberbatch nel ruolo di Khan, personaggio originariamente descritto come sikh e non bianco, scatenò accuse di whitewashing da parte di fan e critici, incluso l'attore George Takei; un fumetto canonico fu successivamente creato per spiegare il cambiamento di etnia del personaggio.

Una scena in cui Alice Eve appare in biancheria intima fu criticata come gratuita; lo sceneggiatore Damon Lindelof si scusò pubblicamente su Twitter, mentre Abrams rispose mostrando in TV una scena tagliata in cui anche Cumberbatch appariva sotto la doccia.

Il compositore Michael Giacchino, al suo quarto film insieme ad Abrams, ha inserito nella colonna sonora il tema originale di Star Trek composto da Alexander Courage.