2009年3月，库兹曼与奥茨两人加入本片的编剧团队后，电影的剧本创作工作正式启动。最初主创团队的设想是将这部续集分为上下两部拍摄，当时派拉蒙初步计划在2011年上映本片。派拉蒙当初邀约艾布拉姆斯来指导本片时，要求以3D格式拍摄这部续集，而艾布拉姆斯却坚持拍摄成2D格式，建议后期转制成3D上映。再多次讨论之后，派拉蒙同意将片中三十分钟的内容使用了IMAX摄影机拍摄，而影院上映的3D版本中这部分内容是在后期将IMAX格式转制为3D格式的。作为IMAX忠实拥簇的艾布拉姆斯终于在2011年9月正式宣布继续接掌这部星际迷航续集的拍摄工作。2012年1月4日，因饰演BBC新版福尔摩斯系列当红的“卷福”本尼迪克特-康伯巴奇宣布加盟剧组出演续集中的大反派可汗，让各路粉丝激动不已。是刚与艾布拉姆斯合作完《超级八》的斯皮尔伯格向他举荐了康伯巴奇，康伯巴奇此前曾在斯皮尔伯格导演的《战马》里有过精彩表现。康伯巴奇试戏片段是在好友家里的厨房里用一部苹果手机拍下来的。本片是彼得-维勒第二次参演“星际迷航”系列，他曾在2005年的《星际迷航：企业号》电视剧客串过两集。本片是康伯巴奇与爱丽丝-伊娃两人继《霍金的故事》与《恋爱学分》后的第三次合作。老版星际迷航中史考特的饰演者詹姆斯-杜汉的儿子克里斯托弗-杜汉在本片中客串，饰演了新版史考特身边的传输官。影片的前期制作从2011年初开始，剧组于2012年1月12日在加利福尼亚的派拉蒙工作室开机拍摄，5月8日顺利杀青。影片的制作经费预计为一亿八千万美元。库兹曼曾经表示他们在创作剧本的时候将重点放在反派，是从1982年的《星际迷航：可汗之怒》里汲取的灵感，着重表现家庭对企业号组员们的意义。除了借鉴老版电视之外，编剧们还专门研究了亚瑟-克拉克与拉瑞-尼温的作品。老版星际迷航里饰演过克林贡星际战舰中尉沃夫的迈克尔-多恩也在片中有表演，但是后来考虑到不想让新老版本产生混乱，多恩的戏份就被从正片中剪去。本片中观众将可以更深层的观察企业号内部和整个舰身全景，拍摄时企业号的布景相对之前的一集有了更细致深入的设计，这都是道具组成员一周七天24小时轮班赶工完成设计和搭建的成果。不仅是布景，续集的服装设计也有些许变化，用服装设计主管卡普兰的话来说“这一集里船员们的制服更加成熟、性感。”captainRZ/文