NBC系列により以下の時間帯に放送された。 日本における初回放送は第1シーズンが日本テレビ系、第2・3シーズンがフジテレビ系によってなされ、それぞれ『S.0401年 宇宙大作戦』『宇宙パトロール』という邦題だった。その後、地方各地の民放局によって幾度と再放送がなされており、1980年代以降になると1時間枠での放送が定着し、邦題も全シーズンを通して『宇宙大作戦』に統一された。また、オープニング映像も本国に準じたスタイルとなっている。 『S.0401年 宇宙大作戦』の邦題で、第1シーズン全29話が放送された。オープニング映像は本国でのそれとは違った独自の編集がなされており、映像の後半では、カーク船長に扮した矢島正明による登場人物紹介のナレーションがある。そのため、ベスト版VHSやLD、2000年代前半までの再放送では、第1シーズンの話であってもオープニング映像のみ第2シーズンのものに差し替えられていた[注 22]。 『宇宙パトロール』の邦題で、第2・3シーズン計50話を各話前後編に分割し30分枠で放送された。この際、チャーリーやカトウなど登場人物の吹き替え声優が一部変更されている。なお、富山県では放映権がフジテレビ系へ移行した後も富山テレビ放送へ移行せず、北日本放送が継続して放送した。 『スター・トレック 宇宙大作戦』の邦題で、デジタルリマスター版が2007年7月から2009年9月にかけて放送された[21]。 『宇宙大作戦／スタートレック』の邦題で、旧局名のスーパーチャンネル時代から、同局の定番番組として繰り返し放送されている[30]。2008年以降はデジタルリマスター版での放送に切り替わった。2019年からは長らく日本では未放送だった第1パイロット版「歪んだ楽園 『スター・トレック／宇宙大作戦』の邦題で、第1パイロット版「歪んだ楽園」を含む計80話が動画配信されている[32]。映像はデジタルリマスター版だが、第1パイロット版「歪んだ楽園」のみ特撮シーンの差し替えが行われていないバージョンである。 イギリスにおける初回放送はBBCによってなされ、全4シーズンに分割されたほか、第1シーズン途中まではモノクロ放送だった。また、子供向け番組の扱いだったため、刺激が強く不快なテーマを含んでいると判断された3話（第65話「キロナイドの魔力」、第67話「恒星ミナラの生体実験
第1シーズン 1966年09月08日 - 1967年04月13日 29話 木曜 20:30 - 21:30 (EST)
第2シーズン 1967年09月15日 - 1968年03月29日 26話 金曜 20:30 - 21:30 (EST)
第3シーズン 1968年09月20日 - 1969年06月03日 24話 金曜 22:00 - 23:00 (EST)[注 21]
日本
日本テレビ系
1969年04月27日 - 1970年01月11日 日曜 16:00 - 16:55 (JST)
フジテレビ系
1972年04月16日 - 1972年09月24日 日曜 11:00 - 11:30 (JST)
1972年10月07日 - 1974年03月30日 土曜 07:30 - 08:00 (JST)[注 23]
NHK衛星第2テレビジョン
2007年07月22日 - 2008年02月24日 29話 日曜 01:15 - 02:05 (JST)[注 24]
再放送 2007年08月09日 - 2008年04月10日 29話 木曜 09:00 - 09:50 (JST)[注 25]
2008年04月19日 - 2009年03月14日 34話 土曜 17:00 - 17:50 (JST)
再放送 2008年04月30日 - 2009年04月01日 34話 水曜 09:00 - 09:50 (JST)[注 26]
2009年04月04日 - 2009年09月05日 16話 土曜 17:00 - 17:50 (JST)
再放送 2009年04月08日 - 2009年09月09日 16話 水曜 09:00 - 09:50 (JST)[注 27]
スーパー!ドラマTV
Netflix
イギリス
オリジナル版本国放映順、オリジナル版日本放送順、デジタルリマスター版放送順、制作順（制作コード）はかなり異なっている。デジタルリマスター版の日本での放送は、2007年からのNHKBS2ではデジタルリマスター版本国放送順に近い放送順によって、2008年からのスーパー!ドラマTVではオリジナル版本国放映順によってなされた。