Na primeira, ele escreveu: "com Spock, eu finalmente achei o melhor de dois mundos: ser extremamente reconhecido pelo público e ainda assim ser capaz de continuar interpretando o alienígena isolado através do personagem de Vulcano".
"Star trek", que estreou na rede NBC em 8 de setembro de 1966, fez de Nimoy um astro. Gene Roddenberry, o criador da franquia, o chamou de "a consciência de 'Star trek'" — um programa ora sério, ora exagerado que empregava o futuro distante (assim como alguns efeitos especiais primitidos para os padrões atuais) para abordar questões sociais dos anos 1960.
Seu estrelato perdurou. Embora a série tenha sido cancelada depois de três temporadas por conta da baixa audiência, a devoção dos fãs foi mantida, inclusive quando "Star trek" deu origem a um desenho animado, a várias outras séries e a alguns filmes estrelados por parte do elenco original, incluindo — além de Nimoy — William Shatner (como o Capitão James Kirk), DeForest Kelley (Dr. McCoy), George Takei (Sulu), James Doohan (Scott), Nichelle Nichols (Uhura) e Walter Koenig (Chekov).
A sua predisposição para entreter foi além de "Star trek" e atravessou gêneros. Ele estrelou a série de TV "Missão impossível" e frequentemente atuou nos palcos, como na peça "Um violinista no telhado". Também escreveu poesias e publicou livros de fotografia. Também dirigiu filmes, incluindo dois da franquia "Star trek", além de séries de TV. E gravou álbuns, nos quais cantava canções pop, assim como músicas sobre "Star trek" — para o deleite dos fãs e o espanto dos críticos.
Mas tudo isso era pequeno perto do Sr. Spock, o membro mais complexo da equipe da Enterprise: uma criatura e um amigo que às vezes travava uma batalha entre as suas metades raciais.
Num dos episódios mais marcantes, Nimoy buscou inspiração em dois atores que admirava, Charles Laughton e Boris Karloff, ambos intérpretes de personagens monstruosos — Quasimodo e Frankenstein — que são transformados pelo amor. No episódio 24, exibido pela primeira vez em 2 de março de 1967, Spock realmente se transforma. Sob a influência de esporos afrodisíacos que ele descobre no planeta Omicron Ceti III, liberta seu lado humano e anuncia seu amor por Leila Kalomi (Jill Ireland), uma mulher que havia conhecido na Terra. Nesse episódio, Nomoy levou à metamorfose de Spock não só carinho e compaixão, mas também um conceito rarefeito de alienação.
"Sou o que sou, Leila", declarou-se o Sr. Spock. "E se houver purgatórios criados por nós mesmos, então todos nós temos que viver neles. Os meus não podem ser piores que os dos outros."