2010年10月から12月まで、TOKYO MX・毎日放送・中部日本放送ほか全国8局ネットでの放送や、ニコニコ動画および日本国外向けにCrunchyrollにての配信が行われた。2011年8月には新作特番として『探偵オペラ ミルキィホームズ サマー・スペシャル』が放送された。

2012年1月から3月まで、テレビアニメ第2期が『探偵オペラ ミルキィホームズ 第2幕』のタイトルで放送された。第2期の放送に合わせて独立ドメインとしてアニメ専用のウェブサイトが開設された。また、放送局については、第1期を放送していたテレビ北海道、テレ玉、チバテレビは本作を放映しないのに対し、第1期を放送していなかった北陸放送、BS日テレが本作を放送することになった。2011年12月31日20時から22時30分にTOKYO MXで放送された特番『大晦日だよ！ 探偵オペラ ミルキィホームズ』の番組中に第1話の先行放送が本放送に先駆けて行われた。なお、世界初公開自体は同日に秋葉原UDXにて開催された先行上映会である。

2013年7月から9月まで、テレビアニメ第3期が『ふたりはミルキィホームズ』のタイトルで放送された。実写バラエティコーナー『ミルキィ情報局』とアニメ本編の2部構成となる（ネット配信分と再放送についてはアニメパートのみ）。

2015年1月から3月まで、テレビアニメ第4期が『探偵歌劇 ミルキィホームズ TD』のタイトルで放送された。

2016年2月から『劇場版 探偵オペラ ミルキィホームズ〜逆襲のミルキィホームズ〜』がポニーキャニオンとブシロードミュージックの配給で公開された。興行収入は4700万円。同年12月31日に『探偵オペラ ミルキィホームズ ファンファンパーリーナイト♪ 〜ケンとジャネットの贈り物〜』が放送された。2017年12月31日に『おおみそかだよ!! ミルキィホームズ+ 2017』内で『アルセーヌ 華麗なる欲望』を放送。2018年12月31日には『大みそかだよ!! ミルキィホームズ 2018』内で『探偵オペラ ミルキィホームズ サイコの挨拶』が放送され、『カードファイト!! ヴァンガード』の主人公・先導アイチがゲスト出演した。

架空の怪盗や探偵が「トイズ」と呼ばれる特殊能力を使って活躍する近未来の世界「偵都ヨコハマ」を舞台に将来探偵になることを目指す4人の少女「ミルキィホームズ（シャロ・ネロ・エリー・コーデリア）」を中心にしたものとなっている。ナレーションは、諏訪部順一が担当。

木谷高明が製作総指揮を務めている点、ゲーム版がシリアス・恋愛中心に対しアニメ版がギャグ・コメディ中心となる点、参加している声優などから、『ギャラクシーエンジェル』シリーズとの類似性や関連性も指摘される。しかし、中村によると、木谷高明や里見哲朗を除けば『ギャラクシーエンジェル』シリーズのスタッフと顔を合わせたことはほとんどないという。中村は、シリーズ構成のふでやすかずゆきが全体の方向性を早期に決定したため「みんながネタや面白さに集中論議できました」と回顧するとともに、里見やふでやすをはじめ、森本浩二、森脇真琴、池端隆史、松倉友二、明田川仁らと議論を重ねたことを明らかにしている。

アニメーション制作は第1期がJ.C.STAFF単独であったのに対し、サマー・スペシャル (SS) からはJ.C.STAFFとアニメーションスタジオ・アートランドの2社共同に変更された。また、第1期の美術監督であった小林七郎の引退に伴い、SSでは水谷利春、第2期では久保友孝が就任した。プロップデザインについても、氏家嘉宏や宮川知子が離れ、代わりに小関雅が担当している。なお、第1期の背景美術を一手に引き受けていた小林プロダクションは、放送終了直後の2011年2月に解散してしまったため、別のアニメスタジオが担当することになった。同様に、第2期の音楽はAngel Noteの井ノ原智が新たに担当することになった。

制作体制が一新されることとなったが、統括プロデューサーの中村伸行は新体制下での制作の様子について「スタッフ一同ノリノリといったテンションで制作させてもらっています」と述べるとともに、制作の基本姿勢として「基本的なコンセプト」を重視する考えを打ち出している。また、第1期と変わらず第2期でも共通する点について、中村は「キャラクターを大事にして、どうフィルムをつくっていくか、ということにこだわって、ずっとつくっている」と語っている。

また、第2期の作品としての品質について、中村は「期待を裏切らない安心のクオリティ」だと自負するとともに、第1期のファンに対しても「相変わらずひどいな（※ほめことば）とファンの皆さんに喜んでいただける」内容だと語っている。

第3期以降はTOKYO MXが製作委員会に参加している。

第3期・第4期・FFPNでは西あすかが提供イラストを担当。

ミルキィ情報局 回数 内容 来週放送の第1話をチラ見せ！声優陣にインタビュー！「ミルキィホームズ シスターズ」新メンバーに迫る！ 1 声優ユニット ミルキィホームズが不二家のお菓子工場に潜入！ 2 お菓子メーカー「不二家」の工場見学 Part2 & ペコちゃんとコラボ！ 3 限定コラボ商品試食 & 新曲メイキング・MV大公開 4 ミルキィホームズ フェザーズ特集！ 5 ミルキィホームズ フェザーズ特集！ 第2弾 6 「ミルキィホームズ ライブツアー2013 〜おいでスペクタクル〜」ファイナル公演の裏側を大公開！ 7 ミルキィホームズ フェザーズラジオ収録 & 横浜探訪レポート！ 8 ミルキィホームズ シスターズイベント「しろくろフェス」トークショー！ 9 ミルキィホームズ シスターズカレー作り対決！ 前編 10 ミルキィホームズ シスターズカレー作り対決！ 後編 11 ミルキィホームズアニサマ舞台裏 & ラジオ収録現場潜入！ 12 今までの活動を振り返るミルキィホームズ シスターズ座談会！

『ギャラクシーエンジェル』シリーズとの比較は随所で語られており、TYPE-MOONのスタッフで小説家の奈須きのこは「ギャラクシーエンジェルの神回の時のクオリティとか、それらが二十五分ぶっ続けで再生される、ダメ人間にとってご褒美のようなアニメ」と評したうえで「とりあえずGA好きの方、三話と四話は必見」と結んでいる。加えて、奈須は周囲の人間にも本作を視聴するよう薦めており、ニトロプラスのシナリオライターである虚淵玄らはそれがきっかけで視聴し始めたという。また、本作と『ギャラクシーエンジェル』シリーズの双方に参加した里見は「かつて欲望のままに『ギャラクシーエンジェル』をつくったワシが言うのだから間違いない。『ミルキィホームズ』はガチ。もっと言うと3話以降はマジキチ」だと語っている。

推理小説専門誌の『ハヤカワミステリマガジン』では、「ミステリネタ満載のコメディ・アニメ」だということで、ミステリー研究家の日下三蔵による本作のレビューを掲載した。日下は、日本のアニメや特撮におけるミステリーのパロディの先行事例として、登場人物名にパロディを含む『特捜戦隊デカレンジャー』、サブタイトルにパロディを含む『The Soul Taker 〜魂狩〜』の2つを挙げている。それらと対比しつつ、日下は本作におけるパロディの例を列挙し「テレビアニメでここまで徹底したミステリのパロディは、史上初だろう」と指摘している。そのうえで、ミステリーに詳しい者にとっては「二倍、三倍に楽しめること請け合いの『怪作』」だと評している。

2011年1月、オトナアニメアワード2011世界を救うヒロイン部門特別賞を受賞した。