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。ノミネート
2008 (6)Greatest Gadgets[56]-『宇宙大作戦』トライコーダーに対して。ノミネート

テレビ批評家協会賞

年（回）部門候補作品結果
2009 (25)ヘリテージ賞『宇宙大作戦』ノミネート
2012 (28)ヘリテージ賞『宇宙大作戦』ノミネート
2013 (29)ヘリテージ賞『宇宙大作戦』ノミネート
2014 (30)ヘリテージ賞『宇宙大作戦』ノミネート
2015 (31)ヘリテージ賞『宇宙大作戦』ノミネート
2016 (32)ヘリテージ賞『宇宙大作戦』ノミネート
2020 (36)ヘリテージ賞『宇宙大作戦』受賞

全米脚本家組合賞

東部全米脚本家組合と西部全米脚本家組合によって映画・テレビドラマ・ラジオに贈られる全米脚本家組合賞を1回受賞している。

年（回）部門候補者候補作品結果
1968 (20)ドラマエピソード賞[57]Boris Sobelman（脚本）
ジーン・ロッデンベリー（原案）第21話「ベータ・スリーの独裁者（英語版）」ノミネート
ハーラン・エリスン第28話「危険な過去への旅（英語版）」受賞
1969 (21)ドラマエピソード賞[58]John T. Dugan第49話「地底160キロのエネルギー（英語版）」ノミネート

備考
アマチュアによるマイコンゲーム化

本作をコンピュータゲーム化[注 30]した『スタートレック』がアマチュアらにより非公式ながら公開され、手軽に遊べる数少ないシミュレーションゲームとして日本でも1980年代初期まで人気を博した。ただし、本作は北海道や関西地域では度々再放送されるも、関東地方では本放送時、映画第1作日本公開時、1980年代後半と3時期のみで、本作とゲームの関係性を希薄に感じる者も見られた。なお、UNIX自体がこのゲームのために企画し設計されたとも見聞されるが、『スペース・トラベル』にまつわるエピソードとの混同である[注 31]。
アメリカ横断ウルトラクイズ

メイナード・ファーガソンのカバーによる本作のテーマ曲が『アメリカ横断ウルトラクイズ』（日本テレビ、1977年 - 1998年）に使用された。そのため、日本のテレビ番組においては、本作のテーマ曲はアメリカ（特にニューヨーク）やクイズ番組を想起させるBGMとして用いられることが多い。同カバーバージョンはコナミの音楽アーケードゲーム「pop'n music」に「アメリカ/STAR TREK」という曲名で収録され、公式サイトには「アメリカを代表する壮大なスペースオペラが登場だよ！ クリンゴンに行きたいかー！」という両番組をパロディにした曲紹介がなされている[59]。
30周年記念作品