本作のプロデューサーを務める田中翔は、高校生の時に作品に触れてから20年経つことに気づいたのが、本作を企画するきっかけになったとPASH!PLUSとのインタビューの中で述べている。上遠野は、現状22巻ある中からどのエピソードを映像化するのかと、まず田中にたずねた。その後、『笑わない』シリーズの1巻目からという話になり、最終的には代表的なエピソードを映像化するということに決まった。なおレギュラー放送とは別にスペシャル枠を設け、そちらで第10～13話（約2時間分）を放送する（放送時間については後述）。

2018年3月24日に、緒方剛志がスタッフ一覧に「原作イラスト」として名を連ねたことを初めて知り、一度も連絡がなかったことをTwitter上で告白。KADOKAWAによる社内調査の結果、各設定はマッドハウスがKADOKAWAの正式な承認を受けて進めたものの、情報伝達のミスで緒方に対して設定素材の一部しか確認に回っていなかったことが発覚した。同年5月、KADOKAWAはアニメ公式サイト上で情報伝達にミスがあったことを謝罪し、4月中に緒方とKADOKAWAの間で著作物使用に関する確認と承認のフロー見直しが行われたこと、緒方が原作イラストレーターとしてプロジェクトに携わることを発表した。

アニメ化にあたり、自分の知らないところで起きるであろう、思いもよらない出来事をいかにして描くかということに重きが置かれた。

第1巻が発売されたのは1998年だが、シリーズでは当時の時代感などを元にしたエピソードがなく、古さを感じさせないことから、町並みなどが現代的にアレンジされた。当初は視聴者が物語をわかりやすくするために特定の主人公を設ける話もあったが、それはもはや『ブギーポップ』ではないという指摘が上がったため、原作通り、複数の登場人物の視点から構成するスタイルがとられた。

第1話から第3話はシリーズ第1巻『ブギーポップは笑わない』を元にしているが、第1話は間のエピソードを飛ばしていきなり終盤の展開が出てくるという構成が取られた。また、監督の夏目真悟は恐怖感を演出するために、この一連の回における会話のテンポをあえて非常にゆっくりにした。『VSイマジネーター』を元にした第4話から8話のうち、第4話から6話は登場人物や状況を描き、第7話以降からドラマとキャラクターの感情を一気に動かす手法がとられた。また、第7話で登場したライブハウスは新宿にあるライブハウス・ロフトをモデルとしている。

夏目はキャストメンバーに対し、本作のイメージは誰が犯人なのか、何が悪いのかがわからないということであると説明した。また、キャストと音響チームにしっかりと方向性を示して意図を共有してもらうために、第1話のアフレコまでに編集済みの映像が用意された。

宮下藤花 / ブギーポップ役には悠木碧が、霧間凪役には大西沙織がそれぞれオーディションで選ばれた。悠木は、ブギーポップのキャラクターをよく読み込み、オーディションの時から際立っていたことが決め手となり、満場一致でブギーポップ役に選ばれた。悠木は『キノの旅』のキノを演じたことがあり、一人称を同じくする点などからブギーポップに近いところがあると考え、オーディションではキノをもとにした演技を行ったところ、そこまで淡々としなくてよいという指示が出された。さらに「ブギーポップは無表情だけど、もっと口上みたいに、朗々と歌い上げるような感じのほうが嘘っぽくて不気味な異世界感が出ていい。でもアンニュイな印象は残してほしい」という指示が出された。悠木はその時の様子について「ただ、その指示をオーディション中に言われたときは、もはや何を言われているのかよくわからなくて超やぶれかぶれで「こんな感じだろう」と思ってやってみたんです。でも結果受かっていたので、「受かったんですか？ 本当に？」と疑いました（笑）。」とナタリーとのインタビューの中で振り返っている。アフレコの際、悠木がオーディションの時よりも抑えてブギーポップを演じたところ、歌い上げるよう指示が出された。凪役の大西によると、音響監督から出された指示は「歌い上げる感じで、精神的には男の子っぽい感じもあっていいけど、あんまりそういう感じは出さないで」というものだったという。

悠木は第1話のセリフの文章量が最も多くて苦労したとナタリーとのインタビューの中で話しており、竹田役の小林千晃のフォローに助けられたと振り返っている。のちに悠木はブギーポップの言い回しについて、「芝居がかったみたいな。ちょっと間合いが読めないというか、大衆に向けてしゃべっているかのように、個人に向けてしゃべるという特殊なことをしていて。そんなしゃべり方を想像して書いている人が世の中にいるんだと思うと、すごく面白いなと思いました。」とナタリーとのインタビューの中で振り返っている。また、悠木はアニメイトタイムズとのインタビューの中で、ブギーポップはテンプレート的な演技が通用しないキャラクターであると述べており、「伝え方が難しいんですが……色を混ぜるみたいなイメージなんです。（中略）どのくらいの濃度が良いのかな、みたいなことも考えながらお芝居をしました。」と振り返り、実態のつかみにくさがブギーポップの魅力であると話している。一方で、悠木は藤花を演じる際なるべく普通の優等生を生身の人間のように演じるよう心掛けたと述べている。悠木は宮下藤花 / ブギーポップ以外にも凪と末真（和子）のオーディションを受けており、その中で凪の演技は最後まで答えを見いだせなかったが、大西による凪の演技をみて答えが出たと複数のインタビューの中で述べている。大西は最初、凪の口調につられる形でぶっきらぼうな少年を意識した演技をしていたが、「凪はそういう言葉遣いだけどちゃんとお姉さんっぽい、女の人らしさは出したい」という指示を受けた。また、大西は一人の女子高生である凪は少し弱い面を見せるだろうと考えて演技することもあったが、もっと毅然とするようにという指示を受け、凪は自身が思い描いていたよりも芯の強い人物であることに気づかされたとナタリーとのインタビューの中で振り返っている。

竹田啓司役に起用された小林千晃は、まず高校3年生の自分を思い出しながら演技したところ子どもっぽくなりすぎてしまったため、今の自分のままで収録に臨んだと、先行上映会の中で振り返っている。

第1話～第3話に登場した百合原美奈子を演じた竹達彩奈について、悠木は狂気じみて笑う演技は見たことがなく新鮮だったと先行上映会の中で述べ、竹達本人も後日自身のTwitterを通じて「百合原さんのように、欲に忠実で感情的な人を演じるのはとても楽しかったです。」と発言した。

2018年8月の「電撃文庫 春の祭典2018」では、最初のプロモーションビデオが公開された。

2018年11月30日には第1話から第3話の映像をもとにした、2つめのプロモーションビデオが公開された。また、2018年12月16日に角川シネマ新宿にて先行上映会が行われた。