Rod Serling, frustré par la censure des sponsors qui coupaient certaines répliques de ses téléplays (comme la phrase « Got a match? » dans Requiem for a Heavyweight, retirée car le sponsor vendait des briquets), a pensé que la science-fiction lui offrirait plus de liberté et moins d'interférence pour aborder des sujets controversés.

Le script initial de Noon on Doomsday, écrit par Serling, s'inspirait directement du meurtre d'Emmett Till, mais a dû être édulcoré : l'action déplacée hors du Sud et la victime transformée d'abord en prêteur sur gages juif, puis en simple étranger d'une ville sans nom.

L'épisode pilote de Serling, « The Time Element », un récit de voyage dans le temps vers Pearl Harbor en 1941, avait d'abord été rejeté puis mis de côté, avant d'être redécouvert par le producteur Bert Granet et diffusé avec succès dans Desilu Playhouse en 1958, ce qui a permis le lancement de The Twilight Zone.

Après la première saison, alors que les sponsors menaçaient de se retirer, CBS aurait envisagé de remplacer Rod Serling par un présentateur plus prestigieux et aurait proposé le rôle à Orson Welles, qui a décliné l'offre.

Pour réduire les coûts lors de la deuxième saison, six épisodes ont été tournés en vidéo plutôt qu'en pellicule, avec un dispositif multi-caméras façon direct qui limitait fortement les possibilités de tournage en extérieur ; l'économie réalisée n'a finalement été que de 6 000 dollars par épisode, et l'expérience n'a jamais été renouvelée.

Deux épisodes ne comportent qu'un seul acteur à l'écran : Agnes Moorehead dans « The Invaders » (saison 2) et Mickey Rooney dans « The Last Night of a Jockey » (saison 5).

À partir de la deuxième saison, Rod Serling a commencé à apparaître physiquement à l'écran pour présenter ses narrations, alors que durant toute la première saison (à l'exception de « A World of His Own »), il n'était présent que comme voix off.

En janvier 1964, CBS annonce l'annulation de la série ; Serling répond en affirmant à Daily Variety que c'est en réalité lui qui a « annulé le network », après avoir refusé une proposition d'ABC pour créer une série plus explicitement horrifique intitulée Witches, Warlocks and Werewolves.

Le thème musical à la guitare devenu emblématique de la série à partir de la deuxième saison a été composé par le musicien d'avant-garde français Marius Constant, initialement comme simple musique de bibliothèque commandée par CBS, et interprété à la guitare par Howard Roberts.

L'épisode « An Occurrence at Owl Creek Bridge », un court métrage français de 1962 légèrement remanié pour la diffusion, a remporté l'Oscar du meilleur court métrage en 1963 tout en étant diffusé dans la série.