La série a été créée par Shawn Ryan et Eric Kripke, avec John Davis et John Fox (producteurs de The Blacklist) comme producteurs exécutifs ; le projet, d'abord appelé Time, a débuté fin août 2015 et son pilote a été diffusé en janvier 2016.

Timeless a été annulée par NBC le 10 mai 2017 après une seule saison, mais renouvelée seulement trois jours plus tard suite à des négociations avec Sony Pictures Television, pour une deuxième saison de dix épisodes.

Après une nouvelle annulation en juin 2018, NBC a finalement commandé un téléfilm en deux parties pour conclure proprement la série, diffusé le 20 décembre 2018.

La société espagnole Onza Entertainment a poursuivi Ryan, Kripke, Sony Pictures et NBCUniversal pour violation de contrat et de droits d'auteur, estimant que Timeless reprenait le concept de la série espagnole El Ministerio del Tiempo, dont une adaptation américaine avait été discutée avec l'agence Gersh (qui avait même reçu un DVD du premier épisode sous-titré) avant que les négociations ne soient abandonnées au profit du projet Time.

Les défendeurs ont répondu à la plainte en novembre 2016 en arguant que les séries de voyage dans le temps constituent un genre télévisuel établi et que les similitudes évoquées étaient génériques ; une demande de rejet de la plainte a été refusée en février 2017, mais les deux parties ont finalement trouvé un accord à l'amiable.

L'attribution des rôles a débuté le 17 février 2016 avec l'arrivée d'Abigail Spencer dans le rôle de Lucy Preston, suivie par Claudia Doumit (Jiya) le 26 février, puis Matt Lanter le 29 février ; Paterson Joseph, Malcolm Barrett, Goran Višnjić et Sakina Jaffrey ont rejoint le casting en mars 2016.

La première saison a reçu un accueil critique globalement positif avec 83% d'approbation sur Rotten Tomatoes, tandis que la deuxième saison a été beaucoup mieux accueillie avec une note de 100% ; le téléfilm final a obtenu 90% d'approbation, salué comme une conclusion satisfaisante offrant du fan service.