Après l'annulation de l'ancien format en 2001, Jeremy Clarkson et le producteur Andy Wilman ont conçu un nouveau concept passant d'un magazine automobile classique à un format basé en studio, avec un lieu fixe, un pilote maison et des invités célébrités faisant un tour chronométré.
Le feu vert de la BBC pour ce nouveau format visait notamment à concurrencer Fifth Gear, l'émission automobile lancée sur Channel 5 par d'anciens présentateurs et producteurs de Top Gear.
La production s'est installée à l'aérodrome de Dunsfold dans le Surrey, dont l'un des hangars a été transformé en studio et dont les pistes ont servi à concevoir, avec l'aide de Lotus, le circuit d'essai emblématique du programme.
Faute de trouver un pilote de course capable de s'exprimer aisément devant la caméra, l'équipe a décidé de rendre le pilote d'essai muet puis de dissimuler son identité, donnant naissance au personnage du « Stig », nom trouvé grâce à l'apport de Perry McCarthy, premier pilote à incarner le rôle.
À partir de la troisième série, Perry McCarthy a été remplacé dans le rôle du Stig par Ben Collins pour des raisons contractuelles, et la combinaison du personnage est passée du noir au blanc.
James May, qui avait déjà présenté l'émission automobile Driven sur Channel 4 ainsi que la version 1999 de Top Gear, a d'abord refusé de rejoindre le nouveau format avant de changer d'avis face à sa popularité grandissante.
Le 20 septembre 2006, lors du tournage de la neuvième série, Richard Hammond a été gravement blessé en conduisant un dragster à réaction Vampire à plus de 505 km/h, ce qui a entraîné le report de la diffusion d'un épisode et une enquête de la BBC et du Health and Safety Executive.
Pour le « Top Gear: Polar Special » diffusé en 2007, Clarkson et May sont devenus les premières personnes à atteindre en voiture l'emplacement enregistré du pôle Nord magnétique de 1996, au volant d'un Toyota Hilux modifié pour le polaire, face à un traîneau à chiens.
La popularité de l'émission était telle que la liste d'attente pour obtenir une place lors d'un enregistrement pouvait atteindre 21 ans pour un spectateur.
Un épisode du magazine américain 60 Minutes consacré à Clarkson, Hammond et May a attiré 16 millions de téléspectateurs en octobre 2010.
En 2014, une prise non diffusée de la 19e série montrant Clarkson récitant une version censurée de la comptine « Eeny, meeny, miny, moe » contenant une insulte raciste a fuité dans les médias, et une enquête de l'Ofcom a jugé l'émission en infraction après des propos tenus par Clarkson lors du « Burma Special ».
En 2014, le tournage d'un épisode spécial en Argentine a été perturbé par une controverse internationale après qu'une plaque d'immatriculation portant le numéro « H982 FKL » a été interprétée comme une référence à la guerre des Malouines de 1982, obligeant l'équipe à modifier la fin du programme avant diffusion.
Le 25 mars 2015, le contrat de Clarkson avec la BBC a été résilié après une altercation verbale et physique avec un producteur, Oisin Tymon, provoquant le départ solidaire de Hammond, May et du producteur Andy Wilman, qui ont ensuite lancé The Grand Tour chez Amazon.
Le segment « Cool Wall », introduit dès le sixième épisode de la première série, n'obéissait à aucune règle objective de classement des voitures selon le producteur Andy Wilman, si ce n'est qu'une voiture possédée par un présentateur était automatiquement classée « Seriously Uncool ».
En novembre 2005, Top Gear a remporté un International Emmy dans la catégorie divertissement non scénarisé, et Clarkson a plaisanté en studio qu'il n'avait pas pu se rendre à New York pour le recevoir car il était trop occupé à écrire le script de la nouvelle saison.
