Le développement de cette série, d'un style assez rétro, commence en 1996, lorsque Keiichi Sato imagine un énorme robot destructeur de villes, le Big O, piloté par un homme en noir, dans un environnement ressemblant à Gotham City. Il rencontre plus tard Kazuyoshi Katayama, qui vient de finir Ceux qui chassent des elfes, et commence à travailler sur le character design et les layouts. Au moment où « les choses allaient vraiment commencer à bouger », Katayama doit se concentrer sur la production de Sentimental Graffiti, qui vient de commencer, et le travail sur Big O est mis en pause. Sato, pour sa part, est très occupé avec City Hunter.
Il admet que la série a commencé comme « une pub pour des jouets », mais les représentants de la division Hobby de Bandai ne le voient pas ainsi. Dès lors, le travail se fait avec Bandai Visual, mais Sunrise a encore besoin d'être sûr et demande la création de plusieurs robots de plus pour augmenter la vente de jouets par la suite. En 1999, lorsque le design est terminé, Chiaki J. Konaka est embauché comme scénariste en chef. C'est lui qui pense à la « ville sans mémoire », et son équipe esquisse l'histoire des vingt-six épisodes de la série.
The Big O voit sa première le 13 octobre 1999 sur la chaîne WOWOW. Quand les scénaristes apprennent que la série serait coupée de treize épisodes, ils écrivirent un cliffhanger, en espérant une seconde saison. En 2001, la série est diffusée sur la chaîne américaine Cartoon Network.
La série rencontre un grand succès international auprès des fans d'anime, qui entraîne la création d'une seconde saison, coproduite par Cartoon Network, Sunrise et Bandai Visual. Elle est diffusée sur SUN-TV au Japon en janvier 2003, et aux États-Unis sept mois plus tard, dans la programmation Adult Swim. Tous les scénarios de la seconde saisons sont écrits par Konaka.
Avec les treize épisodes de la seconde saison, Cartoon Network a une option pour demander vingt-six épisodes de plus à Konaka. Selon Jason DeMarco, producteur de la seconde saison, le peu d'attention généré par la série et les ventes faibles de DVD aux États-Unis et au Japon rendent impossible la production de nouveaux épisodes.