Dopo la fine di Deep Space Nine e in vista della conclusione di Voyager, la Paramount chiese a Rick Berman e Brannon Braga di creare una nuova serie; invece di ambientarla nel XXIV secolo, scelsero un'epoca precedente per esplorare nuove parti dell'universo di Star Trek.
L'idea iniziale prevedeva che la prima stagione fosse quasi interamente ambientata sulla Terra, con l'Enterprise completata in fretta per rispondere al primo contatto con i Klingon, ma gli studios rifiutarono l'idea e questi elementi furono confinati al solo pilot "Broken Bow".
Si era pensato di collegare direttamente la serie a Star Trek: The Original Series inserendo il personaggio di T'Pau (già apparsa nell'episodio "Amok Time") come personaggio principale, ma alla fine fu sviluppato come un nuovo personaggio vulcaniano originale, T'Pol.
Il titolo fu semplicemente "Enterprise", senza il prefisso "Star Trek", per le prime due stagioni; venne rinominato Star Trek: Enterprise a partire dal terzo episodio della terza stagione, "Extinction", su richiesta dei dirigenti della Paramount Television per riconnettere la serie ai fan del franchise.
Il casting di Scott Bakula nel ruolo di Archer fu il più lungo, a causa di lunghe trattative contrattuali che ritardarono la produzione; Berman ammise che non avevano un piano alternativo se Bakula avesse rifiutato il ruolo.
Il personaggio di Hoshi Sato fu assegnato a Linda Park senza audizione, sulla base di una sua interpretazione in una scena della serie The WB Popular insieme ad Anthony Montgomery, sebbene il personaggio fosse originariamente pensato più anziano.
Per il ruolo di T'Pol i produttori cercavano un tipo alla Kim Cattrall; Jolene Blalock e Marjorie Monaghan erano tra le ultime tre candidate, e Blalock, da sempre fan di Star Trek con Spock come personaggio preferito, ottenne la parte nonostante i suoi agenti avessero inizialmente rifiutato le richieste di farla audizionare.
Circolarono voci secondo cui William Shatner avrebbe potuto apparire come guest star; i produttori gli proposero di interpretare il cuoco dell'Enterprise portato nel futuro da Daniels per impersonare Kirk, ma non trovando un accordo l'idea fu poi rielaborata nell'episodio in due parti "In a Mirror, Darkly".
Le riprese si svolsero principalmente negli stage 8 e 9 del lotto Paramount, gli stessi utilizzati per i set di Star Trek fin dall'abbandonato progetto Star Trek: Phase II della fine degli anni '70 e per diversi film della saga.
A partire dall'episodio "Exile" nella terza stagione, la serie iniziò a essere trasmessa in alta definizione 1080i, diventando una delle prime due serie UPN (insieme a Jake 2.0) a essere trasmesse in HD.
Dalla quarta stagione la serie passò dalla pellicola 35mm alle riprese digitali con una telecamera Sony HDW-F900 CineAlta, dopo che il direttore della fotografia Marvin Rush testò la tecnologia sui set per due giorni prima delle riprese di "Storm Front".
Il tema musicale, una cover di "Faith of the Heart" di Rod Stewart interpretata dal tenore britannico Russell Watson e rititolata "Where My Heart Will Take Me", suscitò una reazione negativa dei fan storici di Star Trek, con una petizione online e una protesta fuori dagli studi Paramount.
Prima della scelta definitiva del tema, sui reel di prova era stata usata come traccia temporanea la canzone "Beautiful Day" degli U2.
La sigla d'apertura, disegnata dall'illustratore John Eaves e trasformata in poster per la rivista Star Trek Communicator, mostra veicoli reali come la fregata HMS Enterprise, la mongolfiera Montgolfier, lo Spirit of St. Louis e il modulo lunare Eagle insieme a navi di Star Trek come la Phoenix e la NX-01.
La cancellazione fu annunciata il 3 febbraio 2005, comunicata al cast e alla troupe durante il sesto giorno di riprese dell'episodio "In a Mirror, Darkly"; fu la prima volta in 18 anni che nessun nuovo episodio di Star Trek era in produzione.
Il sito TrekUnited.com raccolse fondi per finanziare una quinta stagione raggiungendo 32 milioni di dollari, ma la campagna non ebbe successo e le donazioni furono rimborsate.
Per la quinta stagione mai realizzata, il showrunner Manny Coto aveva già pianificato episodi legati alla guerra romulana e un arco derivato da "In a Mirror, Darkly", oltre a un episodio chiamato "Kilkenny Cats" che avrebbe visto il ritorno degli Kzinti creati da Larry Niven.
