Le réalisateur Chiaki Kon ne connaissait pas du tout l'œuvre originale avant d'être sollicité pour l'anime ; il a découvert et joué au visual novel seulement après avoir accepté de rejoindre le projet, et a d'abord eu du mal à en comprendre la structure et les énigmes.
Pour la réalisation visuelle, l'équipe s'est rendue en repérage à Shirakawa-gō, le village qui a inspiré le cadre de Hinamizawa, et a directement utilisé les photos de ce repérage comme base pour certains plans.
La scène où le personnage Teppei se fait fracasser le crâne était, selon le réalisateur Chiaki Kon, l'une des raisons mêmes de sa participation au projet ; pour pouvoir la diffuser à la télévision, le producteur Uzaki a obtenu l'autorisation en ne montrant la scène qu'en silhouette.
Le découpage en plusieurs arcs narratifs qui recommencent dans des lignes temporelles parallèles a été qualifié par le réalisateur Chiaki Kon de méthode qu'« aucun professionnel n'aurait imaginée ».
La composition de la série a changé de responsable en cours de route : Michimitsu Mochizuki, qui proposait de couper des éléments du matériau original pour respecter le format télévisé, a été remplacé en octobre 2005 par Toshifumi Kawase, recruté après un appel insistant du président du studio Deen, Hiromitsu Hasegawa.
Le scénariste Toshifumi Kawase a choisi de conserver volontairement des mystères non résolus dans l'anime, jugeant impossible de conclure de façon cohérente une œuvre construite sur des boucles temporelles multiples, ce qui a orienté la série vers une fin volontairement en suspens.
Pour le rôle de Keiichi, dès qu'il a entendu la voix de Sōichirō Hoshi, l'auteur Ryukishi07 a exigé son casting et a montré une forte réticence à envisager qui que ce soit d'autre.
Pour le rôle de Rika, Yukari Tamura a été choisie en anticipant qu'elle devrait aussi incarner la version « noire » du personnage, un rôle nécessitant une grande capacité d'interprétation.
Le compositeur Kenji Kawai, qui ne connaissait pas l'œuvre avant d'être approché, a défini l'ambiance musicale de la série comme une « terreur silencieuse » et a volontairement composé des thèmes de personnages enjoués et lumineux pour accentuer par contraste l'horreur des scènes de folie.
En septembre 2007, la diffusion de la deuxième saison « Kai » a été interrompue par plusieurs chaînes (Tokai TV, TV Saitama) après qu'un fait divers réel — le meurtre d'un père par sa fille de 16 ans à Kyōtanabe — a été perçu comme rappelant l'œuvre, bien que le comité de production ait publiquement affirmé qu'aucun lien n'était établi entre l'anime et l'affaire.
Suite aux déprogrammations, certaines scènes ont été remplacées à l'antenne (comme la hachette ensanglantée dans l'opening remplacée par une image de décharge), et le service de streaming AnimateTV a rendu gratuite la diffusion des épisodes concernés pour permettre aux spectateurs des chaînes ayant coupé le programme de continuer à le suivre.
Contrairement au format télévisuel classique, les bandes-annonces du « prochain épisode » de Kai n'étaient pas diffusées à l'antenne mais uniquement sur le site officiel, car la durée des épisodes dépassait légèrement le format standard, ne laissant pas de place pour un aperçu classique — une pratique rare pour l'époque.
Pour la série « Gou et Sotsu » (2020-2021), l'idée de départ était un simple remake HD de la première série, mais le producteur Takayuki Nagatani a proposé de ne pas se contenter d'un remake et l'équipe a finalement opté pour un concept faisant croire à un remake avant de basculer vers une histoire entièrement nouvelle.
L'auteur Ryukishi07 a rédigé le script détaillé de « Gou et Sotsu » en environ un mois seulement, livrant un document si volumineux (2 à 3 centimètres d'épaisseur) que les producteurs, s'attendant à une simple ébauche, ont été surpris par son ampleur et sa précision jusqu'au dénouement.
Pour incarner le nouveau personnage Eua dans « Gou et Sotsu », l'actrice Norie Higashi a impressionné le réalisateur en interprétant en une seule prise, sans enregistrement séparé prévu à l'origine, à la fois la voix enfantine et adulte du personnage lors d'une scène clé.
Pour la scène où Satoko réalise la danse rituelle du Watanagashi dans l'épisode 16 de « Gou », l'équipe s'est inspirée du film d'horreur « Evil Dead » pour construire la mise en scène.
