主要キャストは2009年に公開された『スター・トレック』の出演契約で続編2本にも出演する契約を結んでいたため、本作への出演はスムーズに決まった[20]。2014年9月、プロデューサーのJ・J・エイブラムスはウィリアム・シャトナーに本作への出演を持ち掛けた。それに対しシャトナーは脚本の出来次第だと返答したという[21]。2015年3月、イドリス・エルバが本作の悪役を演じる候補として挙がっていると報じられた。翌月には、エルバの出演が正式に決まった[22][23]。4月の段階でエルバの演じるキャラクターの詳細は全く明らかにされなかったが、9月になってサイモン・ペグが「エルバの演じる悪役は過去のシリーズに登場したキャラクターではないオリジナルなキャラクターだ。」と明かした。
4月10日、ソフィア・ブテラが主役級のキャラクターを演じると報じられた[24]。7月上旬、キーンサー役のディープ・ロイの続投が決まった[25]。24日、ジョー・タルシム
の出演が決まった[26]。8月18日、リディア・ウィルソン（英語版）が本作に出演すると報じられた[27]。スタジオ側が脚本の出来に満足せず、複数回の修正を余儀なくされたため主要撮影の開始が遅れた[28]。2015年6月25日、本作の主要撮影がカナダのブリティッシュコロンビア州スコーミッシュ
とバンクーバーを中心に始まった[29]。また、ソウルやアブダビでも本作の撮影が行われた[30][31]。本作は2Dと3Dの両方で公開される予定である。2014年8月、パラマウントはスター・トレック放送開始50周年にあわせるために本作の公開日を2016年に先延ばしにすると発表した[32]。12月23日、本作の北米公開日が2016年7月8日に決定した[33]。2015年9月17日に、北米公開日が2016年7月22日に変更された[34]。
日本では2016年10月21日に劇場公開され、IMAX3D版や4D版も同時上映された。前作とは違い吹替版の上映はなく、『スター・トレック (2009年の映画)』同様に字幕版のみとなり、IMAXや4Dではない通常スクリーンは全てが2D版での上映となった。