时空设定
“平行世界”的观念……是决定整个《星际旅行》演出形式的关键，它假定在与地球相似的条件之下，其它世界会发展出与地球相似的社会及文化……这样我们就能够使用地球上的器物、地点以及服装等表现出外星世界，而在有限的预算之内，制作出冒险动作的科幻电视剧。 ——吉恩·罗登伯里
时间设定
《星际旅行》设定在地球未来发展路线的一个平行时间线上，它的时间跨度从21世纪中期延伸至24世纪末。在这个平行时间线上，人类于21世纪中期爆发了一场几乎毁灭全球的第三次世界大战。战争结束后的十几年间，人类进行了第一次曲速飞行——一次突破光速障碍的试验飞行，这意味着人类进入了曲速时代。在第一次曲速飞行后，外星种族瓦肯人便与人类进行了第一次接触。此后的五十年里，人类结束了自身的贫穷、疾病和战争，并成立星际舰队以探索宇宙。在22世纪中期，人类与银河系中的一些种族联合起来，共同创建了星际联邦。
由于瓦肯人提供了先进的科学技术，并对人类的发展进行了适当的干预，进入23世纪后，人类已能克服人性的弱点与罪恶。此时，星际联邦已然成为银河系第一象限三大势力之一；尽管与另外两大势力的大小冲突时有发生，但从未来的事实可以看出，星际联邦并没有因为这些冲突而衰落。在23世纪末，星际联邦与三大势力之一的克林贡帝国和解，并在24世纪结成了联盟。在24世纪，星际联邦吸收了更多的行星成员，并在24世纪前期成功地维系了很长一段时间的和平。在24世纪后期，星际联邦开始面对来自其他象限势力，尤其是博格人的威胁。
在《星际旅行》中，时间旅行虽然神秘但却很常见，它往往涉及到时间线的修改。因此以下所叙述的内容，在没有新的正史故事出现前，均为可能的平行时间线：在平行时间线的25世纪中，联邦发展出了抵御博格人的武器与装备。从另一个平行时间线的剧情中可以推知，联邦在25世纪到26世纪的某个时期发展出了成熟的时间旅行技术，尽管在23世纪就有一群船员通过一种危险的方式回到了过去。在平行时间线的26世纪，克林贡人、Ithenites、辛地人加入了星际联邦。
空间设定
《星际旅行》的所有故事均发生在现实世界的银河系之中。但在《星际旅行》的虚构宇宙里，银河系被人为地划分为了四大象限：第一象限、第二象限、第三象限与第四象限。每个象限下又有数千个星区，星区内一般都有几个行星系。例如，地球就位于银河系第一象限的0-0-1星区的太阳系。
