当時、東映のアニメ映画は文芸性の高い長編が製作されていたが、プロデューサーの旗野義文がテレビアニメの手法による中編映画を企てた。東映動画が創立以来年に1本から2本公開してきた名作ものを原作とする長編のフルアニメーション作品を「A作」。この「A作」に対して長編フルアニメとテレビアニメの中間的位置付けとして、3コマ撮りの中編作品を「B作」とするものである。テレビシリーズの『レインボー戦隊ロビン』のスタッフを投入して製作されたB作の第1弾が『サイボーグ009』だった（ちなみに「ロビン」のキャラクターたちが作品内に一瞬だがゲスト出演している）。本作が選定されたのは『西遊記』などを演出した白川大作と石ノ森との縁による。

演出は映画2作とテレビシリーズともに芹川有吾が担当。メインライターは辻真先でオリジナルエピソードも加えられた。音楽は映画、テレビとも小杉太一郎が担当。映画『怪獣戦争』の主題歌はテレビシリーズでも継承された。その際「メンバーの名乗り」が曲の前に入れられた。

劇場版1作目は、2008年3月にBS2の特別番組「とことん!! 石ノ森章太郎」において番組の一貫としてOAされたが、放送禁止用語が過剰に連呼されたことで多くの修正が入り、不自然なOAとなった。

アニメ化にあたって009の設定に以下のような変更が加えられた。

• 脱走犯をレーサーへ
• 混血の栗毛を黒髪へ
• 前髪を垂らすのをやめる
• コスチュームを009のみ赤から白へ。003のみピンク、他のメンバーは紫。
• マフラーを009のみ。色も赤へ（003が青いバンダナ風のマフラー）

すなわち「健全なヒーロー化」である（テレビシリーズではキャラクターデザインが変更され、髪形や表情が原作に近づけられている）。

また007のキャラクターが、主な視聴者である子供を反映してか大人から子供に変更されており、原作者の石ノ森はやや不満だったが子供達からは好評で、当時のキャラクター人気投票で1位を獲得し、彼が主人公である短編の「サイボーグちゃん」が画かれた（ただし、変身能力は持ち合わせてはいない）。