2004年4月3日から2008年8月2日まで、テレビ東京系列6局ネットで毎週土曜7:30 - 8:00に放送された。以降、この枠では2020年3月まで、ぎゃろっぷ制作版『遊戯王』シリーズ作が再放送されていた。

このほかBSジャパンでも開局後に放送されたが一度打ち切られ、2010年10月2日 - 2015年1月30日まで、毎週土曜夕方5時30分より（2013年4月より金曜夕方5:00〔後半に新作を放送する「遊戯王デュエルアワー」の前半〕）改めて1話から再放送された、この際SD制作の為両端に番組タイトルロゴの入ったサイドパネルが設置されるピラーボックス放送となる。CSではアニマックスで2008年2月より放送。

2015年2月7日から2019年6月29日まで、『遊☆戯☆王誕生20周年プロジェクト』の一環として、本作映像をHDデジタルリマスター、画面アスペクト比を16:9上下カットコンバート版『遊☆戯☆王デュエルモンスターズ 20thリマスター』と題し、上記のテレビ東京系列6局ネットで毎週土曜7:30 - 8:00枠で放送していた。当番組では、字幕放送を実施。武藤遊戯の台詞は黄色、闇遊戯の台詞は青緑、真崎杏子の台詞は茶色、その他の人物の台詞は朱色で表示される。

この枠とは別に、同じく20周年プロジェクトとして「バトル・シティ編」を16:9のHDデジタルリマスター、上下カットコンバート版として、2015年4月よりテレ東系各局で深夜帯に再放送（テレビ東京の場合は4月7日から2016年8月30日まで、毎週火曜26:05 - 26:35で放送。2016年2月6日から2017年11月25日まで上記の「20thリマスター」版でも放送）。初回は「特別版　ロードトゥバトル・シティ」と題して、第41話冒頭までのストーリーを海馬瀬人の視点でダイジェスト放送。なお、HDリマスター版に際して、第52話から第80話までのOPとEDは一部映像を差し替えたりモンスターの色をオリジナル版より違う色にしたりするなどの多少の変更がなされている。なお、本放送時にバトルシティ編の本戦1回戦とアルカトラズ決戦の合間に放送された「乃亜編」は、今作では未放送であるが、「乃亜編」での出来事が及言される場面はそのまま放送された。

• 深夜のバトル・シティ編では、再放送開始から2016年5月までは次回予告は一切放送せず、劇場版『遊☆戯☆王 THE DARK SIDE OF DIMENSIONS』の番宣を行っていたが、2016年6月からはカットされていた次回予告を開始した。

2016年4月21日にはニコニコ生放送で映画公開記念として、公開日直前に『遊☆戯☆王デュエルモンスターズ』最終章「王の記憶編」を2夜連続で土曜日に第119話から第210話、日曜日に第211話から第224話を一挙放送した。

2016年8月19日にもニコニコ生放送で20周年記念として『20周年記念！まるごと『遊☆戯☆王』ほぼ20時間TV』が一挙放送され、バトルシティ編（前編）の第52話から第97話が放送された。

2016年9月6日毎週火曜26:05 - 26:35（テレビ東京）から2017年3月28日まで、テレビ東京ほかにて『遊☆戯☆王 20thセレクション』を放送していた。ここでは「王の記憶編」の一部、「戦いの儀」が放送されていた。OPの冒頭映像は当時パネルがあった両サイドに新規に映像が追加され、その為の場面はこれまでの変わらず16:9に上下カットコンバートされた。

2018年3月10日にはニコニコ生放送で「ちょい見生放送」として第1話から第12話が一挙放送された。

2019年5月1日の水曜日深夜0時にはAbemaTV「みんなのアニメチャンネル3」にて、「ずっと俺のターン!!!」と銘打たれシリーズ全224話がノンストップで一挙配信された。

• なお、20thセレクションでは次回予告は一切放送せず、9月は2016年9月24日に封切られる劇場版『遊☆戯☆王 THE DARK SIDE OF DIMENSIONS』のMX4D仕様版の番宣、10月からは遊☆戯☆王ARC-Vの一般用宣伝を行っている。

第1話 - 第42話。

第1話は原作における「海馬瀬人」の初登場回とDEATH-T編でのデュエルをベースにしたストーリー。「武藤遊戯」の祖父・武藤双六が世界に4枚しかないとされるレアカード「青眼の白龍（ブルーアイズホワイトドラゴン）」を所持することを知った海馬は、残る3枚の同カードを入手、双六にデュエルを挑み、これに勝利して青眼の白龍のカードを破り裂いた。遊戯は双六のデッキを託され、海馬にデュエルを挑む。ここでのデュエルは「海馬スペシャルルール」と称して行われた（下記の物とほぼ同じ）。

それからしばらくしたある日、デュエルモンスターズの創造者「ペガサス・J・クロフォード」から遊戯の元へ一通のビデオレターが届く。そのビデオレターに現れたペガサスは、なんとデュエルをすると言い出し、遊戯はテレビの前にカードを置いてデュエルを始める。しかし遊戯の戦略は、全てペガサスに見透かされていた。ビデオの時間切れによって遊戯の敗北扱いとなり、罰ゲームとして祖父・双六の魂がビデオに封印されてしまう。最後にペガサスは、自分が千年アイテム「千年眼（ミレニアム・アイ）」を持っている事を告げて消えていった。双六を救うため、ペガサスが提示した条件であるデュエル大会「決闘者の王国（デュエリストキングダム）」への参加を決意する遊戯。一方、遊戯の親友である「城之内克也」もこの王国に参加したいと言い出す。それは優勝賞金を手に入れ、目の病気に苦しむ妹・静香を救うためであった。

第42話までと第46話・第50話・第51話・第53話のデュエルは、「上級モンスターカードを召喚するのに生贄が不要、ライフポイント2000、ダイレクト・アタック不可」といった、現在行われているデュエルとは違う初期のルールだった。また、デュエルに使用されたソリッドビジョンのシステムも、原作ではテーブル型（ボックス）であるのに対し、アニメでは「デュエル・リング」と呼ばれる大掛かりな装置（「デュエル・スタンバイ」の掛け声で地面から競り上がってくる）となっていた。他王国編以前のエピソードは対海馬戦以外カットされ、王国編で一部のみ挿入された。

原作にはなかった話もいくつか制作され、原作と違ってキースはペガサスに殺害されず、遊戯と城之内の決勝戦（原作ではペガサスが不要と判断し行われず）も描かれた。

ペガサス島から帰還後は、原作における海馬初登場回に写真のみ登場した双六の友人の孫である全米チャンピオンのレベッカが登場するTVアニメオリジナルエピソードが描かれた。

なおネット配信でのシーズン制ではDMクエスト、DDM編、50・51話もこのシリーズに統合されている。

このシリーズでは、中盤あたりまでオープニングの前にアバンタイトルがあった。初期はゲームの歴史と遊戯が千年パズルを完成させたことを紹介するもの、その後は島に渡って仲間と共にペガサスに挑むことを紹介するものであった。シリーズ終盤はアバンタイトルなしでオープニングに入るようになった（その後、ドーマ編の中盤で前回までのあらすじを紹介していたが短期間で元に戻った）。なお、初期のものでは遊戯を「光と闇 二つの心を持つ少年。人は彼を『遊戯王』と呼ぶ」と紹介していた。

第43話 - 第45話。

3話のみ制作された、番組史上初のTVアニメオリジナルストーリー。なおこのシリーズは後の乃亜編の前日譚となっている。

決闘者の王国の戦いにてペガサスの海馬コーポレーション乗っ取りは失敗しに終わり、それどころか行方不明だった社長の海馬は完全にペガサスの呪縛から解放され、拐われていたモクバも救い出し颯爽と海馬コーポレーションの重役BIG5と対峙する。彼らはペガサスと組み海馬に変わり海馬コーポレーションを牛耳ろうと企んでいたのだが、ペガサスの敗北により頓挫。当然巧みの一件も社長側にも完全に露見していた。当然海馬にその事を追求され即刻解雇を命じるものの、BIG5は「元々は社長が遊戯に負けたことがキッカケです」と反論。その後BIG5は「デュエルモンスターズを元としたバーチャルゲームを作成していた」と発言しこのゲームで海馬に勝負を挑む。「社長がこのゲームをクリアできれば甘んじて解雇を受け入れるがもしクリアできなければクビは無かったことにしろ」という提案だ。 社長はゲームを挑まれた以上答えるのが流儀と言わんがばかりにその提案を受け入れるが、それこそがBIG5の罠であった。海馬は早速バーチャルゲームに飛び込み、現れた二頭を持つキングレックスを青眼の白龍にて撃墜するが、突如現れた忍者モンスターに「ドラゴン族・封印の壺」を投げ込まれ、青眼の白龍ごと吸い込まれ意識を失ってしまった。 それを見ていたモクバ海馬のデッキを持ち出して通気口から脱出。 最愛の兄を救うために雨の中を飛び出し、やがて辿り着いたのはライバルである遊戯の店だった。

第46話 - 第49話。

遊戯達が2年生に進級した日、遊戯の店の目の前に新しいゲーム店がオープンした。人生最大の危機だと落ち込む双六をしりめに、その店で売り出されるという最新ゲームに興味津々の遊戯。杏子と一緒に偵察と称してその店にでかけていくが杏子に止められるがそれと同時に遊戯達の隣のクラスに御伽龍児という転校生がやって来た。それを嗅ぎ付けと、御伽は城之内にバーベット有のカップ＆ダイスの勝負を挑むがフェイントに引っ掛かり、敗北したが城之内は納得が行かずデュエルで決着を付けろと再挑戦を叩きつける。

その日の午後に遊戯達は最新ゲーム「DDM」が置かれているゲームショップ・BLACK CROWNへ訪れ、御伽は待ち受けており、城之内とデュエルを展開し、ソードハンターやゴブリン突撃部隊で力押しする城之内を利用して道連れやビックバイバーで激破しつつ勝利し、城之内をペットにした。それに激しい怒りを抱いた遊戯は闇遊戯に人格交代し、御伽とDDMを展開した。

原作の当該シリーズは描写がTVアニメ化するには放送コードに触れてしまう為、御伽が勝負を挑んだ動機が変更されて遊戯ではなく王が御伽と対戦し、賭ける物も千年パズルではなくデュエリスト生命に変更されるなどの改変が施された。

第50話 - 第97話、第122話 - 第144話。

※2015年にテレ東系で深夜帯に再放送された際には「バトル・シティ編」と表記されているが、本項ではナカグロ点無しで記載する。深夜再放映帯は50・51話をダイジェスト放送し本格放送・ネット配信では52話から開始する様になっている。

序盤はDDM編での原作改変に伴い、原作と違って生存していたキースが再登場しデュエルを展開、御伽の父親Mr'クラウンに代わってキースが千年パズルを一旦破壊するTVアニメオリジナル要素を加えたエピソードが描かれた。

童実野美術館に呼び出された海馬が出会ったのは、エジプト政府の要人イシズ・イシュタール。彼女は海馬に「3枚の神のカード」にまつわる話を聞かせ、その神のカードの一枚である「オベリスクの巨神兵」を託し、残り二枚の神のカードの回収を依頼する。イシズの話を聞いた海馬は、レアカード強奪集団「グールズ」を滅ぼして神のカードをグールズから奪回すべく、アンティ制を導入した大規模デュエル大会「バトルシティ」の開催を宣言する。時同じくして童実野美術館を訪れた遊戯は、一枚の大きな石版を目の当たりにする。そこに描かれていたのは遊戯自身であった。

決闘盤（デュエルディスク）の仕様が原作とは少し異なっている。原作ではコンパクトな代わりに、変形が出来ず、アニメ版だとデュエルディスクは変形し折りたたまれ様になっている。また、アニメと原作でソリッド・ビジョンの設定解釈が違っており、デュエルルールは第54話から原作と同じスーパーエキスパートルールになりライフ4000から開始、登場するカードは一部を除いてOCGと同じ物（原作と同じにする場合はカード名を変更している時があった）にしている他、徐々にOCG要素を取り入れている。原作のバトルシティ編同様に当シリーズと乃亜編のみ「融合モンスターが融合召喚されたターンは攻撃できない」というルールが追加された。

原作では、1日目に予選から決勝トーナメント第4試合までを行い、2日目が最終戦となったが、アニメ版では、予選は2日（1日目は遊戯VSパンドラまで）行われた為、3日間の出来事になっている。

決勝トーナメントの最初の地となった飛行船バトルシップは後述の乃亜編でジェット機のような形状となるが、爆発の衝撃でエンジンを損傷した。その為、アルカトラズ脱出の際には、意識不明になった際の城之内を搬送するために派遣された海馬コーポレーションのヘリコプターが使われた。

第98話 - 第121話。

第97話で原作に追いついてしまった為、半年に亘って間に挟んだTVアニメオリジナルシリーズ。このシリーズでは、OCGカード中心にデュエルが行われ、遊戯達のカードもストラクチャーデッキに収録されているカードが含まれている。さらに登場した新カード6枚は抽選で発送するという企画も行われた。海馬兄弟を中心とした物語が展開され、それに伴い数々のアニメオリジナル設定が追加されている。海馬剛三郎も出現した。

バトルシップは最終決戦の舞台「人工島（アルカトラズ）」へ向けて進んでいたのだが、突如として海中から現れた巨大建造物によって捕捉されてしまう。そこにいた少年は「海馬乃亜」。乃亜は遊戯達を肉体を失った海馬コーポレーションの重役グループ「BIG5（ビッグファイブ）」達が存在する仮想現実に誘い込み、「デッキマスタールール」でのデュエルを強要する。負ければ体を奪われるデュエルに、遊戯達はそれぞれ別行動で挑んでいくことになる。

第145話 - 第184話。

10ヶ月におよんで放送されたTVアニメオリジナルシリーズ。このシリーズは心の闇を題材にしており、遊戯を始めに主要人物たちにアニメ独自の設定が追加されている。また、デュエルモンスターズ界(詳細は下記記載)をはじめ数々のオリジナル設定を盛り込む。ペガサス、孔雀舞、羽蛾、竜崎などの決闘者の王国編の人物達が再登場している。

失われた記憶を見つける為、童実野美術館の石版の前で3枚の神のカードを翳す闇遊戯だが、封印は解かれず、逆に石版が凍結してしまった。同時に世界中でデュエルモンスターズが実体化しパニック状態となる。更に3枚の神のカードは奪われ、遊戯の前には「ドーマ」と名乗る組織の男達が現れる。遊戯は彼らの1人グリモに負ければ魂を封印される闇のデュエルを挑まれる。

謎のフィールド魔法「オレイカルコスの結界」を発動するグリモを辛うじて倒した遊戯達に、ペガサスから緊急連絡が届き、一行はアメリカへと旅立つ。一方海馬は、自社株が何者かに大量に買い付けられ、会社が乗っ取られそうになっている事を知る。その買い主とは何とペガサスであった。ペガサスの元へ赴いた海馬だったが、ペガサスは先程遊戯に助けを求めていたとは思えない態度で、海馬に勝負を挑んで来た。

第185話 - 第198話。

ドーマ編終了後、最終章である王の記憶編の放送に入る前に今一度、約3ヶ月に亘って放送されたTVアニメオリジナルシリーズ。

アメリカから日本に帰国するための費用が無い事に困惑する遊戯達。その頃、ドーマの策略で社名に傷がついた海馬コーポレーションは、社運を賭けて世界規模のデュエル大会「KC（海馬コーポレーション）グランプリ」を企画していた。モクバが、城之内は選手として、遊戯は優勝者とのエキシビジョンマッチの対戦相手としてこの大会に出場すれば、遊戯たちは海馬コーポレーションの配慮で帰国出来ると提案する。

一方、海馬コーポレーションを陥れようとする陰謀が暗躍していた。

第199話 - 第219話。

イシズ達の案内でエジプトの神殿にある記憶の石版の元に辿り着く遊戯達。しかし、それを闇獏良も追ってきていた。闇遊戯が石版に3枚の神のカードをかざすと、石版が光り出して闇遊戯と闇獏良の魂が吸い込まれてしまう。

闇遊戯の魂は古代エジプトの王宮にいた男の体に入った。その男は側近や六神官から「ファラオ」と呼ばれるが、自身の真の名は分からずじまいであった。神官達は互いに魔物や精霊を召喚し、「ディアハ」と呼ばれる戦闘を行っていたのだが、まさしくその姿は、元の現代におけるデュエルモンスターズそのものであった。一方闇獏良の魂は、連行中の墓荒しの男の中に入る。そのころ神殿に取り残された遊戯達の前にシャーディーが現れ、闇遊戯と闇獏良が記憶の世界で究極の闇のゲームで対決することを告げる。

原作初期で獏良が初登場したモンスターワールド編を布石とした、本編のクライマックス。物語上の様々な謎や伏線はほぼこの章で明らかとなる。

原作では美術館裏での模型上で行われていた戦いになっていたが、アニメ版ではエジプトに向かった後に記憶の石板の中での空間という設定になっており、王が千年パズルに道連れで封印したのはアクナディンではなくゾークの本体になっていたりするなど、設定がかなり変わっている。さらに、原作ではこの章に登場しなかった海馬が登場し、戦いに参戦している。 また、原作には無い「古代デュエルディスク（ディアディアンク）」が存在する。

絶大な力を持つ3枚のカードの総称。3000年前の古代エジプトの神官・セトが残した壁画を見たペガサスが、そこに刻まれていた3体の幻神獣の絵を元に作り上げた。宇宙万物の両極性を象徴するとされ、この3枚のカードを全て手に入れたものは永遠不敗の伝説と共に決闘界の支配階級の頂点に君臨し決闘王の称号を得ると言われる。記憶篇でも登場し、三体は融合してホルアクティになった。なお、神誕生の経緯は語られなかった。本編内の三幻神カード共通の特徴は「三幻神カードを対象とした罠カードの効果は無効」、「魔法カードは発動したターンのみしか効果が無い」の2点。

ビッグ5が作成したロールプレイングゲーム。デュエルモンスターズのカードを駆使して伝説のF・G・Dからゲームの世界を守るというもの

御伽龍児が生み出したゲーム。原作ではDDDと称されていた。

乃亜編で使用されたデュエルモンスターズの特殊ルール。内容は以下の通り。

なお、デッキマスター能力は選んだモンスターによって異なり、選ぶ前にどんな能力かを確認することはできない。ビッグ5はデッキマスターとして選んだモンスターの姿を借りている。

3000年前の古代エジプトで行なわれていた戦いの儀で、デュエルモンスターズの原型ともいえる儀式。

作詞・作曲 - 悠希 / 編曲・歌・演奏 - CLOUD

• 第41話から第48話までペガサスの部分が本編のダイジェストになった。また、リマスター版にて、タイトルロゴが一新。

歌・作詞 - 奥井雅美 / 作曲・編曲 - 矢吹俊郎

歌・作詞・作曲 - 永井真人 / 編曲 - 永井真人 & WILD&DELICATES

• 122話からエンドカットが変更された。

作詞 - 生沢佑一、IPPEI / 作曲 - 山下雄大 / 編曲 - 清水武仁 / 歌 - 生沢佑一

• バトル・シティ編（132話 ‐ 144話）、ドーマ編（145話 ‐ 184話）、KC グランプリ編（185話 ‐ 189話）といったシリーズ対応したエンドカットの変更が行われた。

歌・作詞 - Kimeru / 作曲 - 渋谷郁央 / 編曲 - 藤田宜久

作詞 - 松本隆 / 作曲 - 植野慶子 / 編曲 - 大平太一 / 歌 - 前田亜季

歌・作詞 - 奥井雅美 / 作曲・編曲 - 矢吹俊郎

作詞 - RUMIKO / 作曲・編曲 - SHOJI / 歌 - CAVE

歌・作詞・作曲 - 生沢佑一 / 編曲 - 生沢佑一、寺島良一

作詞 - マイクスギヤマ / 歌・作曲 - 生沢佑一 / 編曲 - 大島こうすけ

ひょんなことから「カプセルモンスターズ」の世界に入り込んでしまった遊戯たち。そこは凶暴なモンスターが生息する危険な世界だった。現実世界へ戻るため、遊戯たちはカプセルからモンスターを召喚し命をかけた戦いに挑む。

時間軸的には『遊☆戯☆王デュエルモンスターズ』の「王の記憶編」より前の話である。