• Chris Pine trong vai Thuyền trưởng James T. Kirk, chỉ huy chính thức của tàu USS Enterprise.
• Zachary Quinto trong vai Chỉ huy Spock, sĩ quan Cấp 1, nhân viên khoa học.
• Karl Urban trong vai Trung úy Leonard McCoy, M.D., sĩ quan Y tế, bác sĩ của tàu.
• Simon Pegg trong vai Trung úy Montgomery Scott, sĩ quan cấp 2 và Kỹ sư trưởng.
• Zoe Saldana trong vai Trung úy Nyota Uhura, sĩ quan Liên lạc.
• John Cho trong vai Trung úy Hikaru Sulu, sĩ quan cấp 3 và người lái tàu chính.
• Anton Yelchin trong vai Thiếu úy Pavel Chekov, Hoa tiêu chính của tàu USS.
• Sofia Boutella trong vai Jaylah, người ngoài hành tinh bị lạc và lang thang trên hành tinh.
• Idris Elba trong vai Krall, người bị đột biến có sức mạnh phi thường.
• Joe Taslim trong vai Manas, tai sai của Krall.
• Lydia Wilson trong vai Kalara, người ngoài hành tinh là gián điệp của Krall.

• Sara Forsberg trong vai giọng nói phiên dịch cho người ngoài hành tinh.

• Deep Roy trong vai Keenser, trợ lý người ngoài hành tinh của Scotty.
• Melissa Roxburgh trong vai Thiếu úy Syl, người ngoài hành tinh và thành viên tàu Enterprise.
• Shohreh Aghdashloo trong vai Đại tá Paris, chỉ huy trưởng Starbase Yorktown
• Greg Grunberg trong vai Chỉ huy Finnegan, Sĩ quan nhất cấp Yorktown.
• Danny Pudi trong vai Fi'Ja[6]
• Kim Kold trong vai Zavanko[6]
• Anita Brown trong vai Tyvanna
• Doug Jung trong vai Ben
• Dan Payne trong vai Wadjet
• Shea Whigham trong vai Teenaxi Leader

Jeff Bezos xuất hiện như người ngoài hành tinh, phi hành đoàn tàu Starfleet.[7]

Leonard Nimoy xuất hiện thoáng qua trong 2 tấm ảnh của Spock Prime – một mình, và cùng với George Takei, Walter Koenig, William Shatner, James Doohan, DeForest Kelley, và Nichelle Nichols tương ứng với các phiên bản của phi hành đoàn gồm Spock cùng với Sulu, Chekov, Kirk, Scott, McCoy, và Uhura trong vũ trụ song song cũ.