La prémisse de Thunderbirds s'inspirait du « Wunder von Lengede » de 1963 (Miracle de Lengede), une véritable catastrophe minière en Allemagne de l'Ouest où le transport lent du matériel de sauvetage avait entravé les efforts pour sauver les mineurs piégés, ce qui a inspiré à Gerry Anderson l'idée d'une organisation internationale de secours à réaction rapide.
Le choix de centrer la série sur un père et ses fils s'inspirait de la série Western Bonanza, et Sylvia Anderson croyait qu'utiliser plusieurs personnages héroïques élargiraient l'attrait de la série.
Les frères Tracy ont été nommés d'après les vrais astronautes du programme Mercury Seven : Scott Carpenter, John Glenn, Virgil « Gus » Grissom, Gordon Cooper et Alan Shepard.
Le titre de la série venait d'une lettre de guerre que Gerry Anderson avait reçue de son frère Lionel, qui mentionnait Thunderbird Field, une base des Army Air Forces des États-Unis en Arizona ; le titre de travail avait été « International Rescue » et les véhicules s'appelaient à l'origine Rescues 1 à 5.
Le premier choix de Gerry Anderson pour incarner la voix de Lady Penelope était l'actrice Fenella Fielding, mais Sylvia Anderson a insisté pour incarner elle-même le personnage, calquant sa performance sur celle de Fielding et de Joan Greenwood.
Le visage de la marionnette de Lady Penelope s'inspirait de Sylvia Anderson, sa propre actrice vocale, bien qu'Anderson n'en ait été initialement pas consciente.
Les ressemblances des marionnettes s'inspiraient d'acteurs réels : Jeff Tracy sur Lorne Greene, Scott sur Sean Connery, Alan sur Robert Reed, John sur Adam Faith et Charlton Heston, Brains sur Anthony Perkins, et Parker sur Ben Warriss.
Gerry Anderson avait volontairement donné une origine asiatique au vilain The Hood et l'avait établi en Malaisie, voulant éviter de perpétuer l'idée que la Russie était l'ennemi au regard des sensibilités de la Guerre froide.
Chaque marionnette comportait plus de 30 composants, dont un solénoïde dans la tête qui synchronisait les mouvements des lèvres du personnage avec le dialogue enregistré, ce qui provoquait des têtes disproportionnées par rapport aux petits troncs et membres.
Parce que les marionnettes ne pouvaient pas marcher de manière convaincante en raison de leur poids léger et de leurs jambes contrôlées par un seul fil, les scènes ont été filmées à partir de la taille vers le haut tandis qu'un marionnettiste tenait les jambes hors du champ et utilisait un mouvement de haut en bas pour simuler le mouvement.
Impressionné par les effets spéciaux de Thunderbirds, le réalisateur Stanley Kubrick a engagé plusieurs membres de l'équipe des effets de Derek Meddings pour travailler sur 2001 : l'Odyssée de l'espace.
Rolls-Royce a supervisé la construction du modèle de sept pieds FAB 1 et a fourni une véritable grille de radiateur, demandant en retour que la miniature inclue un ornement de capot Spirit of Ecstasy et que le dialogue fasse toujours référence à la voiture par son nom complet « Rolls-Royce » plutôt que par l'abréviation « Rolls ».
Les explosions à échelle réduite ont été filmées jusqu'à 120 images par seconde et ralenties à 24 fps standard pour donner une impression de plus grand poids et de plus grande échelle, en utilisant des matériaux tels que la terre de diatomée, le gel de pétrole, les lamelles de magnésium et l'explosif Cordtex.
Lew Grade a doublé la durée de chaque épisode, passant de 25 à 50 minutes après avoir été impressionné par l'épisode pilote, ce qui a forcé des réécritures considérables et transformé Thunderbirds en l'une des séries télévisées les plus coûteuses réalisées jusqu'à ce moment, avec un budget d'environ 1 million de livres sterling pour la première série.
La production s'est terminée en 1966 après que Lew Grade n'ait échoué à vendre la série aux trois principaux réseaux américains (NBC, CBS, ABC), qui ont tous retiré leurs offres une fois que NBC s'est retiré, ce qui a amené Grade à annuler la série et à commander à la place Captain Scarlet and the Mysterons.
Une chanson générique alternative appelée « Flying High », interprétée par Gary Miller avec des chœurs de Ken Barrie, avait été enregistrée mais a finalement été remplacée par une variation de « The Thunderbirds March ».
