Na série, são contadas as aventuras da tripulação da nave USS Enterprise, que, no século XXIII, representa a Federação Unida de Planetas numa missão de cinco anos no espaço. O objetivo é explorar novos mundos, procurar novas formas de vida e civilizações. No fundo, chegar até onde o Homem ainda não havia chegado. Cada episódio da série começava com a frase: "Espaço, a última fronteira". A nave é comandada pelo Capitão James T. Kirk, interpretado por William Shatner, que tem como primeiro-oficial e melhor amigo Mr. Spock (Leonard Nimoy), um ser oriundo do planeta Vulcan. No grupo de personagens principais entram ainda o médico McCoy (De Forest Kelly). A tripulação da Enterprise ronda os 430 tripulantes. Ao longo da sua missão a Enterprise encontra e combate povos extra-terrestres e descobre uma série de novos mundos.