デザインは2020年8月に始まり[52]、ジョナサン・リーがプロダクション・デザイナーとなった[58]。 マイヤーズ は、安っぽく見える道具は避けながらも現代でも通用する1960年代のデザインはそのまま使い、まるで ジーン・ロッデンベリーが現代のテクノロジーと特殊効果を使って『宇宙大作戦』を作ったかのようにデザインを進めたと語った。彼は、『宇宙大作戦』に沿いながらデザインを拡張した、スタートレック最初の映画である『スター・トレック』になぞらえた。[48]。マウントは、「撮影セットには20世紀中ごろのモダンな意匠がある。1967年のメイシーズ百貨店をアップグレードしたような品物がある。60年代の雰囲気をアップデートしたような感じだ」と語った[25]。エンタープライズのセットは、ブリッジをコンパクトにして『宇宙大作戦』に近づけるなど、『ディスカバリー』からアップデートされている[59]。可動式のコンポーネントや、俳優に合わせて自動的に調整されるグラフィックスモニターなど、実際的な宇宙船としてデザインされ[58]、『ディスカバリー』の視覚効果の代わりにリアルなビュースクリーンが用いられている。リーは『ディスカバリー』のクールな青と緑の配色の代わりに、セット内のモニター・グラフィックスを使って暖かい感じを出したかったと言う[60]。機関部、食堂、 カーゴベイ(積荷室)のセットはバーチャルなセットで補われている[61]。フェイザー、トライコーダー、コミュニケーターなどの小道具も『ディスカバリー』のものから再設計され、『宇宙大作戦』に近いレトロな意匠となっている[62]。

Bernadette Croftは『ディスカバリー』でアシスタントを務めた後、本シリーズのコスチューム・デザイナーとなった[63]。宇宙艦隊のユニフォームは『ディスカバリー』のものよりアップデートされ[59]、マウントは『ディスカバリー』よりも先祖返りしていると語った[25] 。