La serie è ambientata tra gli anni 2266 e 2269, in un ipotetico futuro in cui i terrestri si sono riuniti nel governo mondiale della Terra Unita e sono entrati in contatto con altre forme di vita senzienti residenti nella Via Lattea, arrivando a promuovere con essi la nascita della Federazione Unita dei Pianeti. La serie narra le avventure della nave stellare federale USS Enterprise (NCC-1701) e del suo equipaggio, nella sua missione quinquennale di esplorazione nel cosmo alla ricerca di nuove forme di vita e di nuove civiltà, "per arrivare arditamente là dove nessun uomo è mai giunto prima" ("To boldly go where no man has gone before")