Meski peran-peran awalnya belum menjadikannya bintang besar, pengalaman tersebut menjadi bekal penting sebelum dia memperoleh kesempatan yang mengubah perjalanan kariernya.
Kesempatan besar datang pada 1967 ketika Koenig bergabung dengan Star Trek: The Original Series pada musim kedua. Dia dipercaya memerankan Ensign Pavel Chekov, navigator muda asal Rusia yang bertugas di kapal luar angkasa USS Enterprise.
Karakter Chekov hadir di tengah suasana Perang Dingin, ketika hubungan Amerika Serikat dan Uni Soviet masih diwarnai ketegangan politik. Kehadiran seorang perwira Rusia dalam kru Enterprise menjadi bagian dari visi serial tersebut tentang masa depan ketika manusia dari berbagai bangsa dapat bekerja sama.
Dengan aksen Rusia yang khas, rambut bergaya anak muda pada zamannya, serta pembawaan yang ramah, Chekov menjadi salah satu karakter yang mudah dikenali oleh penggemar.
Koenig tampil dalam 36 dari 50 episode Star Trek: The Original Series yang tayang pada periode 1966–1969. Meski tidak bergabung sejak musim pertama, kehadirannya menjadi bagian penting dari formasi kru yang dipimpin Kapten James T. Kirk, diperankan William Shatner.