L'idée d'une série télévisée sur Sarah Connor est née après la sortie de Terminator 3, lorsque le producteur James Middleton a commencé à regretter le personnage : « Après T3, j'ai commencé à regretter Sarah. Je n'arrêtais pas de penser : comment pourrait-on la ramener ? »

Josh Friedman a conçu la série comme une suite alternative à Terminator 2, ignorant délibérément les événements de Terminator 3, allant jusqu'à dire qu'il la considérait presque comme « son » T3.

Friedman avait initialement envisagé de faire de Kyle Reese un personnage régulier voyageant depuis le futur sans perturber la continuité des deux premiers films, mais Middleton l'en a dissuadé car l'idée était trop confuse ; cela a mené à la création du personnage de Derek Reese, frère de Kyle.

La série s'appelait à l'origine simplement « The Sarah Connor Chronicles » ; le mot « Terminator » a été ajouté au titre pour profiter de la notoriété de la franchise, après un débat en pré-production.

Josh Friedman a auditionné plus de 300 actrices pour le rôle de Sarah Connor avant qu'une amie ne lui recommande Lena Headey, dont il a trouvé la bande d'audition convaincante.

Le choix de Lena Headey a été critiqué par certains fans et critiques qui estimaient qu'elle ne ressemblait pas physiquement à la Sarah Connor musclée incarnée par Linda Hamilton dans Terminator 2.

Le nom du personnage de Cameron, interprété par Summer Glau, est un hommage au réalisateur James Cameron, créateur de la franchise Terminator.

Summer Glau n'avait jamais vu les films Terminator avant d'être choisie pour le rôle de Cameron, et a failli ne pas auditionner car elle pensait ne pas avoir « le look Terminator ».

Le rôle de Catherine Weaver marquait les débuts d'actrice de Shirley Manson, chanteuse du groupe Garbage, qui était amie avec l'épouse de Josh Friedman et a accepté d'auditionner sans hésitation en tant que fan de Terminator.

Arnold Schwarzenegger, alors gouverneur de Californie, avait été envisagé pour une apparition dans la série, mais cela ne s'est jamais concrétisé ; Friedman était par ailleurs opposé à faire apparaître des acteurs des films pour que la série existe par elle-même.

La production de la première saison a été perturbée par la grève de la Writers Guild of America : sur les 13 épisodes commandés, seuls neuf ont pu être tournés, les quatre derniers manquant de scripts terminés.

Le pilote a été tourné à Albuquerque, au Nouveau-Mexique, tandis que les épisodes suivants ont été filmés à Los Angeles, notamment sur le backlot des studios Warner Bros. à Burbank, sur un décor auparavant utilisé par la série Gilmore Girls pour représenter la ville fictive de Stars Hollow.

Dans le final de la première saison, une scène de massacre commise par Cromartie dans une chambre de motel a été filmée entièrement depuis le fond d'une piscine, les corps des agents étant jetés dans l'eau ; Garret Dillahunt, impatient de tourner cette scène, a été déçu d'apprendre qu'il n'apparaîtrait pas à l'image.

Pour des raisons de droits liés à la franchise, la série n'a pas pu réutiliser le design de l'endosquelette du T-800 des films ; une nouvelle créature, le T-888, a donc été conçue spécialement, un travail qui a pris environ quatre mois.

Pour des raisons budgétaires, le thème musical original des films Terminator composé par Brad Fiedel n'apparaît que brièvement dans la série, principalement pendant le générique, le compositeur Bear McCreary ayant créé une partition originale inspirée de son style.

Bear McCreary a enregistré des sons métalliques (bidons d'huile, tambours à baleine, chaînes, enclumes, tambours de frein, poubelles) pour créer sa propre bibliothèque de percussions métalliques utilisée tout au long de la série.