以下のキャラクターは後続作品にも度々触れられている。第34話「バルカン星人の秘密」より。トゥプリング第39話「惑星オリオンの侵略」より。サレク（左）スポック（中央）アマンダ（右）

ハリー・マッド（英語版）（ロジャー・C・カーメル） - 第6話「恐怖のビーナス（英語版）」と第37話「不思議の宇宙のアリス（英語版）」に登場。地球人男性で本名はハルコート・フェントン・マッド。小悪党的な人物で宇宙を渡り歩く詐欺師。

クリストファー・パイク（ジェフリー・ハンター / ショーン・ケニー（英語版）） - 第11・12話「タロス星の幻怪人（前後編）（英語版）」に登場。宇宙艦隊の地球人士官で階級は先任大佐。パイロット版におけるU.S.S.エンタープライズの船長でカークの先代にあたる。

カーン・ノニエン・シン（リカルド・モンタルバン） - 第22話「宇宙の帝王（英語版）」に登場する優性人類。20世紀末の地球において、アジアから中東地域を支配した独裁者。

コール（ジョン・コリコス（英語版）） - 第26話「クリンゴン帝国の侵略（英語版）」に登場するクリンゴン人[注 7]の司令官。

永遠の管理者[23]（バーテル・ラ・ルー（英語版）[注 8]） - 第28話「危険な過去への旅（英語版）」に登場するリング状の岩のような物体。他の次元や時代に通じる一種の出入り口だが、それ自体に意思があり会話が可能である。自身曰く、機械でもなければ生物でもなく、太陽系が生まれる以前から存在するという。

トゥプリング（英語版）（アーレン・マーテル（英語版）） - 第34話「バルカン星人の秘密（英語版）」に登場するバルカン人女性でスポックの婚約者。

トゥパオ（英語版）（セリア・ロブスキー（英語版）） - 第34話「バルカン星人の秘密」に登場するバルカン人の長老。

ゼフラム・コクレーン（グレン・コーベット（英語版）） - 第38話「華麗なる変身（英語版）」に登場する21世紀の地球人科学者で、地球史上初めてワープ・ドライブを開発し、光速突破の飛行を成し遂げた人物。

サレク（マーク・レナード（英語版）） - 第39話「惑星オリオンの侵略（英語版）」に登場。スポックの父で、惑星連邦のバルカン人大使。

アマンダ（英語版）（ジェーン・ワイアット） - 第39話「惑星オリオンの侵略」に登場。スポックの母で地球人。

シラノ・ジョーンズ[24]（スタンリー・アダムス（英語版）[注 9]） - 第44話「新種クアドトリティケール（英語版）」に登場する地球人の商人。

ドクター・ムベンガ（英語版）（ブッカー・ブラッドショー（英語版）） - 第48話「カヌーソ・ノナの魔力（英語版）」と第72話「無人惑星の謎（英語版）」に登場。U.S.S.エンタープライズの勤務医で地球人男性。バルカン星の病院で勤務した経歴を持つことから、バルカン人の医療に長けている。

リチャード・デイストローム[25]（ウィリアム・マーシャル（英語版）) - 第53話「恐怖のコンピューター M-5（英語版）」に登場。23世紀の著名な地球人科学者であり、コンピューターシステムの開発で天才と謳われた人物。

日本語吹き替え版

日本語吹き替え版は放送時間に合わせ一部シーンをカットした状態で放映された。

1998年に「宇宙大作戦 完全版」として本国放送のノーカット版がVHS化された際に日本語吹き替え版が初収録されたが、この際にカットされたシーンの吹き替えが放送当時と同じキャスト[26]で追加収録された。ただしこの時収録されたのは一部のエピソードのみで残りはパッケージ化されなかったため、旧版DVDは原語音声・日本語字幕で補完していたが、デジタルリマスター版DVD発売の際に改めて追加吹き替えを敢行したことで全エピソードで完全な吹き替え版が視聴できるようになった。

また吹き替えが存在していたが再放送でカットされたシーンや、日本初放送当時（1960年代後半から1970年代前半）は問題がなかったが現在では不適切な表現や放送禁止用語になった言葉が使用されている部分、そのまま残すと追加収録音声との繋がりが不自然になる部分の吹き替えは再録されている。

日本語吹き替え版では、准士官以上は敬称が必須とされる英米海軍伝統に則り、「ミスタースポック」など人名に敬称が採られ、医療主任のマッコイは「ドクターマッコイ」や単に「ドクター」と呼称される。惑星連邦宇宙艦隊階級は海軍に準じており、「Captain」は「大佐」を指す[注 10]。本作では「船長」と訳されているが、続く映画からは「艦長」と訳されている。これを踏襲し、本作より以前の時代が舞台の『スタートレック:エンタープライズ』や『スタートレック:ディスカバリー』では「船長」に邦訳が統一されている。

日本語吹き替え版では、スコットの名前が「チャーリー」、ウフーラの苗字が「ウラ」、スールーの苗字が「カトウ」に変更された[27]。このあおりを受けて、第2話「セイサス星から来た少年（英語版）」に登場する少年の名前も、「チャーリー」から「ピーター」に変更されている。また、劇中では暦として西暦ではなく宇宙暦が用いられているが、「宇宙暦040x.xxxx」のような原語版とまったく異なる数字に変更されている。これは日本における初回放送を行った日本テレビのチャンネル数である「4」に倣ったものとされ、1969年のアポロ11号の月面着陸を紀元として約400年後という意味だと解釈されている[注 11]。そのため、日本語吹き替え版では23世紀ではなく24世紀が舞台になっており、原語版の台詞や後のシリーズ作品の設定とは約100年のずれがある[注 12]。

第1パイロット版「歪んだ楽園」の日本語吹き替えは長らく存在しなかったが、Netflixの配信の際に新録された。
声の出演「スタートレック#日本語吹き替え」も参照

役名第1シーズン第1シーズン
追加収録部分第2・3シーズン第2・3シーズン
追加収録部分Netflix配信版
ジェームズ・T・カーク矢島正明—
スポック久松保夫菅生隆之久松保夫菅生隆之小原雅人
レナード・マッコイ吉沢久嘉[注 13]小島敏彦吉沢久嘉小島敏彦—
モンゴメリー・スコット
（チャーリー・スコット）小林修内海賢二—
ウフーラ
（ウラ）松島みのり—
ヒカル・スールー
（ヒカル・カトウ）富山敬
納谷六朗[注 14]坂東尚樹
納谷六朗[注 15]田中亮一—
パヴェル・チェコフ——井上弦太郎樫井笙人—
ジャニス・ランド
（ジェニー）此島愛子榎本智恵子———