La série est née du remplacement de la série Police Surgeon, dont le comédien principal Ian Hendry avait été très apprécié par les téléspectateurs; ABC Television l'a donc engagé pour la nouvelle série The Avengers en janvier 1961.

Le rôle de la receptionniste Carol Wilson fut d'abord proposé à Jan Watson, qui le refusa pour un autre film ; il échut finalement à Ingrid Hafner, qui avait déjà joué une infirmière face à Ian Hendry dans Police Surgeon.

Après le départ d'Ian Hendry pour le cinéma, Patrick Macnee devint la vedette et le personnage de Steed prit le dessus ; le personnage de transition Dr Martin King, très proche du docteur Keel, ne dura que trois épisodes tournés à partir de scripts écrits pour la première série.

Selon le scénariste Dennis Spooner, les premières répliques écrites pour Cathy Gale reprenaient simplement des dialogues initialement destinés à Ian Hendry, ce qui explique en partie pourquoi le personnage fut habillé de cuir : c'était moins coûteux que de réécrire les textes.

Honor Blackman a dû quitter la série après la troisième saison car elle avait été engagée pour incarner Pussy Galore face à Sean Connery dans Goldfinger, ce qui a fait capoter un projet de long-métrage réunissant Steed et Cathy Gale avec des agents américains.

Le personnage d'Emma Peel devait initialement s'appeler Samantha Peel puis Mantha Peel, avant que les scénaristes ne s'inspirent de l'expression 'M. Appeal' (pour 'man appeal') pour aboutir au nom final 'Emma Peel'.

Plus de 60 actrices furent auditionnées pour le rôle d'Emma Peel ; le premier choix, Elizabeth Shepherd, fut finalement écarté après avoir tourné un épisode et demi, jugée moins intéressante à l'écran que ne l'avait été Honor Blackman.

Diana Rigg fut repérée par la directrice de casting Dodo Watts dans un téléfilm, et son bout d'essai avec Patrick Macnee montra immédiatement une excellente alchimie entre les deux acteurs.

À partir de la quatrième série, le tournage est passé de la vidéo 405 lignes à la pellicule 35mm avec une seule caméra, notamment pour rendre la série compatible avec le format américain NTSC, ce qui a permis davantage de scènes en extérieur.

Diana Rigg, découvrant qu'elle était moins payée que le cadreur de la série, menaça de quitter le tournage si elle n'obtenait pas une augmentation salariale ; les producteurs cédèrent grâce au succès de la série aux États-Unis.

Pour incarner Tara King, le producteur John Bryce engagea sa propre petite amie de 20 ans, la débutante Linda Thorson, et fit décolorer ses cheveux en blond, un procédé qui les endommagea tant qu'elle dut porter des perruques durant le premier tiers de ses épisodes.

Aucune scène d'adieu pour Emma Peel n'avait été tournée au départ de Diana Rigg ; l'actrice fut rappelée spécialement pour filmer une scène de départ dans l'épisode « The Forget-Me-Knot ».

Le thème musical original de 1961, composé par John Dankworth, fut remplacé en 1965 par une nouvelle musique de Laurie Johnson lors de l'arrivée de Diana Rigg, elle-même remaniée pour l'arrivée de Linda Thorson avec un contre-thème à la trompette.

Le combattant chorégraphe Ray Austin introduisit le kung-fu dans la série à partir de la quatrième saison, en s'entraînant avec Chee Soo ; lui-même, Diana Rigg et Chee Soo furent reconnus par le Guinness des records comme les premiers à avoir montré du kung-fu à la télévision.

Aux États-Unis, la censure refusa de diffuser l'épisode « A Touch of Brimstone », où Emma Peel apparaît en dominatrice fouettée par un guest star ; au total, cinq épisodes de la première saison Emma Peel ne furent pas diffusés initialement par ABC.

Face au programme numéro un aux États-Unis, Rowan and Martin's Laugh-In, la série avec Linda Thorson ne put rivaliser dans les audiences américaines, entraînant son annulation aux États-Unis puis l'arrêt de la production britannique en 1969.