A série a été imaginée par James Middleton après la sortie de Terminator 3, qui se demandait comment faire revenir Sarah Connor : « Après T3, elle m'a manqué. Je me suis mis à 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, la considérant presque comme son propre « T3 » se déroulant dans une chronologie parallèle.
Le titre original du projet était simplement « The Sarah Connor Chronicles » ; le mot « Terminator » a été ajouté ensuite pour profiter de la notoriété du nom auprès du grand public, après débat en pré-production.
Friedman envisageait initialement de faire de Kyle Reese un personnage régulier voyageant depuis le futur sans perturber la continuité des deux premiers films, mais James Middleton l'a convaincu d'abandonner cette idée jugée trop confuse, ce qui a mené à la création du personnage de Derek, le frère de Kyle.
James Cameron, créateur de la franchise et réalisateur des deux premiers films, n'a pas été impliqué dans la production de la série.
Josh Friedman a auditionné plus de 300 actrices pour le rôle de Sarah Connor avant de choisir Lena Headey, dont il a apprécié le naturel et la dureté après avoir vu sa bande d'audition, recommandée par un ami.
Le choix de Lena Headey a été critiqué par certains fans et journalistes qui estimaient qu'elle ne ressemblait pas physiquement à la Sarah Connor musclée incarnée par Linda Hamilton dans Terminator 2.
Summer Glau n'avait jamais vu les films Terminator avant d'être choisie pour incarner Cameron, un personnage dont le nom est un hommage à James Cameron ; elle a failli ne pas auditionner car elle pensait ne pas avoir « le look Terminator ».
Friedman avait déjà voulu engager Summer Glau pour un pilote qu'il avait écrit auparavant, mais elle était alors engagée sur le film Serenity (2005).
L'implication de Summer Glau dans la série a été tenue secrète jusqu'à ce que Lena Headey révèle son rôle en mars 2007, Friedman espérant garder la nature de Terminator du personnage comme surprise pour la diffusion du pilote.
Shirley Manson, chanteuse du groupe Garbage, a fait ses débuts d'actrice dans la série en incarnant Catherine Weaver ; amie de la femme de Friedman et fan de Terminator, elle a accepté d'auditionner sans hésitation.
Le personnage de Riley Dawson a été nommé en référence à Kevin Reiley, président de Fox, qui avait suggéré d'ajouter une petite amie à John Connor.
Arnold Schwarzenegger n'a jamais fait d'apparition dans la série ; Friedman s'y opposait, voulant que le show se distingue par lui-même et éviter de mélanger acteurs des films et personnages recastés.
Richard T. Jones a été autorisé à improviser certaines répliques pour apporter une touche d'humour à son personnage, l'agent Ellison.
Pour des raisons légales liées aux droits de la franchise, la série n'a pas pu réutiliser l'endosquelette du T-800 vu dans les films ; l'équipe a donc conçu un nouveau modèle baptisé T-888, un nom pensé comme une évolution logique de la série 800.
L'artiste effets spéciaux Robert Green Hall a mis trois semaines à construire l'endosquelette pratique du T-888, tandis que le superviseur des effets visuels Jim Lima avait environ quatre mois pour le concevoir avant le début du tournage du pilote.
Pour la saison 2, les effets du T-1001 de Catherine Weaver ont été créés en combinant CGI et un scan numérique du visage et du corps de Shirley Manson, en s'inspirant du T-1000 de Terminator 2.
Le tournage du pilote s'est déroulé 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 déjà utilisé par la série Gilmore Girls pour représenter la ville fictive de Stars Hollow.
À cause de la grève des scénaristes de la Writers Guild of America, la première saison, initialement prévue pour 13 épisodes, a été réduite à 9, quatre épisodes n'ayant jamais pu être tournés faute de scripts terminés.
La scène du final de la saison 1, où Cromartie massacre des agents du FBI, a été filmée entièrement depuis le fond d'une piscine, une idée de Josh Friedman inspirée par la série Rescue Me ; Garret Dillahunt a été déçu d'apprendre qu'il ne serait pas visible à l'écran pendant la scène qu'il attendait avec impatience.
Pour des raisons financières, le thème principal original de la saga Terminator composé par Brad Fiedel n'apparaît que brièvement dans la série, principalement pendant le générique ; Bear McCreary a composé une partition originale inspirée du ton du score de Fiedel mais interprétée par un ensemble de cordes électriques plutôt que des synthétiseurs.
Bear McCreary a enregistré des sons métalliques (bidons d'huile, chaînes, enclumes, tambours de frein, poubelles) pour créer sa propre bibliothèque de percussions métalliques utilisée tout au long de la série.
Malgré une campagne de fans appelant à son maintien, la série a été annulée par Fox le 18 mai 2009 après deux saisons, en raison d'une audience en baisse constante durant la seconde saison.
