プライムタイムに放送される優れたテレビドラマ・バラエティ番組に贈られるプライムタイム・エミー賞に13回ノミネートされているが、いずれも受賞を逃している。

年（回）部門候補者候補作品結果
1967 (19)個人業績賞美術監督・その他技巧部門
（特殊機械効果）[37]James Rugg『宇宙大作戦』ノミネート
個人業績賞撮影部門
（特殊撮影効果）[38]Linwood G. Dunn
Joseph Westheimer
Darrell A. Anderson『宇宙大作戦』ノミネート
個人業績賞フィルム・音響編集部門[39]ダグ・グリンドスタッフ（英語版）『宇宙大作戦』ノミネート
作品賞ドラマ・シリーズ部門[40]ジーン・ロッデンベリー
ジーン・L・クーン（英語版）『宇宙大作戦』ノミネート
助演男優賞ドラマ・シリーズ部門[41]レナード・ニモイ『宇宙大作戦』（スポック）ノミネート
1968 (20)撮影編集賞[42]Donald R. Rode第35話「宇宙の巨大怪獣（英語版）」ノミネート
作品賞ドラマ・シリーズ部門[43]ジーン・ロッデンベリー『宇宙大作戦』ノミネート
助演男優賞ドラマ・シリーズ部門[44]レナード・ニモイ『宇宙大作戦』（スポック）ノミネート
個人業績賞特別部門[45]The Westheimer Company第38話「華麗なる変身（英語版）」ノミネート
1969 (21)美術監督・舞台設計賞[46]ジョン・M・ドワイアー（英語版）
マット・ジェフリーズ（英語版）第78話「タイムマシンの危機（英語版）」ノミネート
撮影編集賞[47]Donald R. Rode第55話「宇宙からの使者 Mr.セブン（英語版）」ノミネート
助演男優賞[48][注 29]レナード・ニモイ『宇宙大作戦』（スポック）ノミネート
個人業績賞特別部門[49]Howard A. Anderson Company
The Westheimer Company
Van der Veer Photo Effects
Cinema Research第64話「異次元空間に入ったカーク船長の危機（英語版）」ノミネート

ヒューゴー賞

最も歴史の古いSF・ファンタジー文学賞であるヒューゴー賞を2回受賞している。1968年の第14回では映像部門のノミネートがすべて本作で占められていた。

年（回）部門候補作品結果
1967 (13)映像部門[50]第4話「魔の宇宙病（英語版）」ノミネート
第10話「謎の球体（英語版）」ノミネート
第11・12話「タロス星の幻怪人（英語版）」受賞
1968 (14)映像部門[51]第28話「危険な過去への旅（英語版）」受賞
第30話「バルカン星人の秘密（英語版）」ノミネート
第33話「イオン嵐の恐怖（英語版）」ノミネート
第35話「宇宙の巨大怪獣（英語版）」ノミネート
第44話「新種クアドトリティケール（英語版）」ノミネート

サターン賞

サターン賞は優れたSF・ファンタジー・ホラー作品に贈られる賞であるが、賞自体の設立が新しいため、放送当時ではなく旧版DVDの発売時に受賞している。

年（回）部門候補者候補作品結果
2004 (31)Best Retro Television Series on DVD[52]-『宇宙大作戦』受賞

TVランド賞

年（回）部門候補者候補作品備考結果
2003 (1)ポップカルチャー賞[53]-『宇宙大作戦』受賞
2006 (4)Most Memorable Kiss[54]ウィリアム・シャトナー
ニシェル・ニコルズ『宇宙大作戦』白人と黒人のキスシーンに対して。ノミネート
2007 (5)TV Moment That Became Headline News[55]ウィリアム・シャトナー
ニシェル・ニコルズ『宇宙大作戦』白人と黒人のキスシーンに対して。