Josh Fine et une partie de l'équipe créative développaient initialement une série centrée sur Hulk, mais le projet n'a jamais dépassé le stade du script et s'est transformé en une série sur les Avengers.

Marvel a annoncé en octobre 2008 que Marvel Animation et le studio Film Roman produiraient la série pour une diffusion prévue en 2010, avec 52 épisodes confirmés en production.

Une micro-série en 20 parties, centrée sur les origines de chaque héros, a été diffusée le 22 septembre 2010 sur Disney XD avant le lancement de la série principale.

Le Spider-Man apparaissant dans la série devait à l'origine être la même version que celle de The Spectacular Spider-Man, avec Josh Keaton reprenant le rôle, mais il a finalement été remplacé par Drake Bell, qui doublait déjà le personnage dans Ultimate Spider-Man.

Seuls Fred Tatasciore et James Mathis ont repris leurs rôles de Hulk et Black Panther dans la série suivante, Avengers Assemble ; Drake Bell est également revenu doubler Spider-Man pour des apparitions ponctuelles.

Des changements de direction exécutive durant la seconde moitié de la saison 2 ont forcé les scénaristes à comprimer une intrigue prévue sur plusieurs saisons autour de Red Skull, et plusieurs personnages envisagés (Nova, Silver Surfer, Sentry, Hercule, Morgane Le Fay, Taskmaster, Scarlet Witch, Quicksilver, Doctor Strange) ont finalement été écartés.

Le scénario original de l'épisode « Powerless » prévoyait des éléments très différents de la version diffusée, notamment Loki emprisonné et défiguré dans une branche d'Yggdrasil, Amora libérée de l'emprise de Surtur et Ms. Marvel visée par les vilains à la place d'Iron Man.

Christopher Yost avait prévu d'adapter l'arc comics « Emperor Doom » (avec Wonder Man et Scarlet Witch), projet qui est devenu l'épisode « Emperor Stark », et il a vendu une copie du script original de cet épisode.

Le final de la saison 2 devait initialement s'étendre sur trois épisodes se déroulant sur la planète Hala, capitale de l'empire Kree, avec une confrontation finale contre Galactus là-bas plutôt que sur Terre, et impliquait le retour de la princesse Ravonna cherchant à libérer Kang.

Pour le 10e anniversaire de la série, le scénariste Christopher Yost a publié (puis supprimé) une série de tweets décrivant une hypothétique troisième saison qui aurait adapté des arcs majeurs comme Strange Tales, les West Coast Avengers, les X-Men, The Evolutionary War et House of M, ainsi que des saisons suivantes basées sur The Infinity Gauntlet, Acts of Vengeance et Secret Wars.

Sur Rotten Tomatoes, la première saison affiche une note d'approbation de 100% avec une moyenne de 7,50/10 basée sur 5 critiques.

La série a été nominée pour le prix du meilleur montage sonore en animation télévisée aux Golden Reel Awards 2011.

Alex Zalben de MTV a classé la série première dans son classement des 5 meilleurs dessins animés Avengers de tous les temps, la qualifiant de meilleure adaptation animée à ce jour malgré sa jeunesse relative.