架空の都市、見滝原（みたきはら）が作品の舞台となっている。世界設定は、未来的でありながら現代でも実現可能な技術が使われているというのが新房監督のイメージであり、劇中に登場する建築物はドバイ、アメリカ、ヨーロッパなどに実在する建物をモデルに、場面によっては日本離れした景観で描かれている。見滝原は近年になって近代的な都市開発が進められた地方都市として設定されており、新興住宅地には人工的な景観の緑地や小川が整備され、郊外には風力発電施設や水門、工場などがある。なお、見滝原の行政区分の設定は、「見滝原市」とされる場合と「見滝原町」とされる場合があり資料によって統一されていない。

主人公たちが通う見滝原中学校も日本国外に実在する建築物がモチーフとされており、未来的な景観を持ち、教室の壁もガラス張りとなっている。

本作品の世界には魔法少女と魔女が存在しているが、一般には存在を知られておらず、主人公のまどかも第1話の時点では魔法少女のことなどは知らない。ただし、有史以前から世界中に多くの魔法少女が人知れず存在し歴史を動かしてきたとされ、劇中の歴史では史実上の人物であるクレオパトラ、卑弥呼、ジャンヌ・ダルクも契約を交わした魔法少女であったと設定されている。また、魔女の標的となった人間は原因不明の自殺や殺人を引き起こしているとされる。

本作品は鹿目まどか、暁美ほむら、巴マミ、美樹さやか、佐倉杏子の5人の魔法少女と、マスコット的な外見をした地球外生命体であるキュゥべえを中心にストーリーが展開される。

本作品における魔法少女とはどんな願いでも1つ叶えることと引き換えにキュゥべえと契約を結び、魔女と戦う使命を課せられた存在である。

魔法少女の素質を示す魔法係数は、その人物が抱える因果の大きさによって決まり、主に国を束ねる者や、救世主と呼ばれる者などが高い資質を持つ傾向にある。ただし、主人公のまどかは平凡な中学二年生でありながら高い素質を持っている。

魔法少女の契約の際にはソウルジェムと呼ばれる宝石状のアイテムが生み出される。このソウルジェムは魔法少女の霊力をエネルギーに変換する魔法の力の源であると同時に、魔女の存在の感知や、変身アイテムとしての役割も担うものである。基本的な形状は卵の形で統一されているが、普段は指輪の形状に、変身時はそれぞれ異なるアクセサリーの形状に変形する。

ソウルジェムとは、魔法少女になる契約において少女の願いを叶えた代償として体から魂を抜き取られて生まれる物であり、魔法少女にとっては肉体よりもソウルジェムのほうが本体だと言える。ソウルジェムと魔力さえあれば、傷ついた肉体を復活することも可能だが、ソウルジェムから肉体をコントロールできる距離は精々100メートルまでであり、それ以上離れるとその者は仮死状態となり抜け殻と化してしまい（近くに戻せば意識は取り戻せる）、ソウルジェムを破壊すると完全に死に至る。

対する魔女は異形の姿をした化物であり、「結界」と呼ばれる普通の人間には見えない異世界から「使い魔」と呼ばれる部下を伴って現れる。魔女はグリーフシードと呼ばれる黒い宝石状の物質を孕んでおり、このグリーフシードは魔法少女が魔女を倒すことで得られる見返りである。

魔法少女の持つソウルジェムは魔法を使用するたびに穢れが貯まり輝きが失われる。全く魔法を使わずにいたとしても肉体の維持のため少しずつ濁って行き、濁りきるとソウルジェムはグリーフシードに変わってしまい、魔女が生まれる。グリーフシードはそんなソウルジェムに溜まった穢れを移し替えることが出来るアイテムであり、ソウルジェムからグリーフシードへ穢れを転嫁することで魔法少女は再び魔法を使えるようになる。魔法少女は濁りを回避するために、定期的に魔女を倒さなければならないという仕組みになっている。

なお、魔女は新たに孕んだグリーフシードから孵化したり、使い魔が多くの人々を襲うことで魔女になったりするかたちでさらに増殖し、この過程で殖えた魔女は発生元の魔女と同一の形態となる。各々の魔女や使い魔にはそれぞれ個別に設定が与えられており、本編で描かれないところでは設定に基づいた行動を取っているとされる。

また、『 叛逆の物語』にて、暁美ほむらがまどかの「円環の理」の力を奪い悪魔化した時に、ソウルジェムと異なる「ダークオーブ」が登場した。これはピンクの毛糸のボビンが噛み砕かれたほむらのソウルジェムの破片をまとって生まれた物で、ほむらの感情の極みによって再構築されたものである。ほむら曰く、私のソウルジェムを濁らせたのは呪いではなく「愛」と言っている。ダークオーブは通常時はイヤーカフスの形状でほむらの左耳に付けられ、宝石の部分にはまどかの力が封じ込められている。

物語は鹿目まどかが巨大な怪物に破壊された市街地で傷つきながら戦う少女暁美ほむらを目撃し、白い動物のような生き物キュゥべえから「僕と契約して、魔法少女になってよ」と告げられる夢を見るところから始まる。そのすぐ後にほむらはまどかと同じクラスの転校生として現れ、ほむらはまどかに「魔法少女になってはならない」と警告を行う。そして第1話後半ではまどかと友人の美樹さやかが魔女の結界に迷い込み、2人はそこで魔法少女の巴マミと出会う。

マミに救われたまどかとさやかは、キュゥべえからは魔法少女になるよう勧誘を受け、マミからは魔法少女の存在と魔女の脅威についての説明を受ける。2人はマミと接することで、魔法少女になることに強い憧れを抱くが、まもなくマミは魔女との戦いに敗れ、むごたらしい最期を迎える。マミの死にまどかの魔法少女に対する想いが揺らぐ一方で、さやかはキュゥべえと契約して魔法少女となり、さらに見滝原には別の魔法少女、佐倉杏子がやってくる。

第6話では、それまで魔法少女の魔力の源としか思われていなかった「ソウルジェム」の実態が明らかになる。ソウルジェムは魔法少女の本体ともいえる器官であり、契約の際にキュゥべえによって契約者の肉体から抽出された魔法少女の魂そのものであった。そのため、肉体との距離が100メートルの範囲を越えると肉体は機能を停止して死体と同様になってしまい、物理的に破壊されると魔法少女は完全に死亡するということが、はからずも発覚する。一方でキュゥべえは、魔法少女は魂と肉体の分離によって痛覚が緩和される上、ソウルジェムが無事である限り理論上は不死身の身体を得るという戦いにおける利点を説明するが、魔法少女からは一様に嫌悪感を示される。

第7話で、さやかは自己嫌悪による葛藤で自暴自棄に陥っていく。一方で、当初はさやかと対立していた杏子は態度を軟化させ、さやかに過去の自分を重ねて心を寄せていくが、杏子の想いとは裏腹に、第8話でさやかのソウルジェムは絶望で濁りきり、杏子の目の前で魔女と化す。そしてこのさやかの魔女化をきっかけに、魔法少女の魂は憎悪や絶望などの暗い情念が蓄積することでも穢れを溜め込み、濁りきると魔女を孵化させることが明らかになる。キュゥべえの正体はインキュベーターと呼ばれる地球外生命体の端末であり、魔法少女が魔女となることは彼らによって仕組まれたことであった。キュゥべえたちの種族の目的は宇宙の寿命を延ばすことにあり、魔法少女たちが希望から絶望へ相転移して魔女となる際に、その感情が熱力学第二法則に縛られない莫大なエネルギーを発生させるため、そのエネルギーを搾取するために魔法少女は生み出されていた。

第9話で杏子はさやかを元に戻そうとするが、いったん魔女化した魔法少女を戻すことはできず、魔女化したさやかと共に命を落とす。そして第10話では、最強の魔女「ワルプルギスの夜」の襲来を前に、見滝原に現存するただ1人の魔法少女となったほむらの素性や目的が明らかにされる。ほむらは異なる時間軸からやってきた時間遡行者であり、元の時間軸において「ワルプルギスの夜」に殺されてしまったまどかが助かる未来への道筋を求めて、平行世界の同じ時間を繰り返し戦い続けてきたのであった。しかし、その行為は結果としてまどかを最強の魔法少女にして最悪の魔女となる素質を与えることに繋がっていた。

第11話で、まどかはキュゥべえと契約することを決意する。そして最終話で告げられたまどかの願いにより、魔女を生み出すルールそのものが覆され、「ワルプルギスの夜」は消滅し、本来なら魔女化するはずであったまどか自身も消滅し、宇宙は新たな法則によって再構成される。

新たに構成された世界では、魔法少女が魔女になることはなくなり、力を使い果たした際は心安らかなままソウルジェムとともに消滅し、その魂はまどかの導きで別の宇宙へと転送されるというシステムに変化していたが、魔女に代わり魔法少女の敵として魔獣が現れていた。改変前の世界で戦死したマミ、杏子も存命しているが、まどかの存在は彼女の家族を含む人々の記憶から消えている。最後に戦い続けるほむらの姿が描かれて、物語の幕は閉じる。

本作品はすでに類型が確立している魔法少女ものというジャンルに新たな切り口を導入することを意図した作品であり、題名に魔法少女を冠してはいるが、いわゆる魔法少女ものというよりも魔法少女をモチーフにしたダーク・ファンタジーとしての作風が色濃い。

魔法少女もの以外のジャンル的要素としては、「戦闘美少女」の要素、主人公の周辺のきわめて狭い関係性が中間領域を差し挟むことなく世界の命運に直結するという意味での「セカイ系」の要素、百合（同性、特に思春期の女性間の恋愛関係）的な要素、「ループもの」の要素、といったものがある。

また、超常的な存在から逃げるのがホラー、交流するのがファンタジー、思考停止せずに研究するのがSFであると定義した上で、魔法少女をスカウトするマスコット的な動物（キュゥべえ）の裏の目的や少女を選ぶ意味に具体的な理由付けがされている点、必然性があれば銃火器も登場し生死の概念にも踏み込むという魔法少女の約束事に囚われないバトル、クライマックスにおける最大の問題の解決手段が論理的であった点から、SF作家の山本弘には魔法少女アニメの様式に論理を持ち込んだSFだと評されている。

物語は序盤、おおむね約束事の積み重ねで作られており、劇団イヌカレーが描くサイケデリックな「魔女」や、「魔女」の住む異世界（結界）の悪夢の世界を想起させる不気味な背景美術といった要素はあるものの、かわいらしいオープニングなどで正統的な魔法少女もの作品としての雰囲気を醸し出している。しかし、これは魔法少女ものの約束事を踏まえることによって複雑な説明を省き、序盤の展開を迅速に進めると同時に、視聴者の先入観を逆手にとって意外な展開を組み込むための布石である。物語は徐々に魔法少女となったヒロインたちに襲い掛かる苛酷な運命に焦点を当てた展開を見せ始め、メインキャラクターの死というショッキングな展開が描かれた第3話以降は完全にハードな作風となり、以後は魔法少女たちが決意を挫かれ精神的に追い詰められていく様子などが、印象的な映像表現と共に描かれていく。監督の新房は、第3話以降の描写について残酷なシーンを見せたいのではなく、それに立ち向かう人たちの感情を見せたかったと語っている。

全12話の構成は、各3話区切りで「マミ編（第1話 - 第3話）」「さやか編（第4話 - 第6話）」「杏子編（第7話 - 第9話）」「ほむら編（第10話 - 最終話）」と呼べるようなものとなっており、それぞれのキャラクターの魅力が順番に描かれていくような構成となっている。しかし本作品には魔法少女たちが次々とリタイアしていくというコンセプトもあり、魔法少女は死亡というかたちで物語から退場していく。物語後半では、終盤になっても主人公とされる鹿目まどかが魔法少女にならず変身もしないという意外な展開に対し、魔法少女の1人がもう1人の主人公としての役割を帯びるようになる。

放映中は公式Webサイトや雑誌では先の展開を明かさないことによって視聴者の興味を引く方針が取られ、次回予告でも先の展開を伏せるために、イラストを背景にセリフが一言だけ流れるのみの構成とした。

映像表現においては光源の置き方や構図の取り方によって登場人物の立場や心境を表現し、段取りを省きつつ場面の情報量を増やすという、監督の新房昭之がシャフトの作品で多用してきた手法が用いられている。蒼樹うめの絵柄は煽りなどの構図には向かないとされるが、本作品の作風には必要であることから多用された。また、キャラクターの顔の輪郭線において、通常は立体感を出すために肌の色よりやや暗い色で輪郭線を表現するのに対し、外側の輪郭線をわざと太く茶色で強調して表現しているという特徴的な手法を用いている。

劇中の舞台は、主要登場人物たちの生活圏は未来的で清潔感に溢れる安全な空間として描かれる一方、郊外にある工場や鉄塔などの風景は醜く不気味に描かれるなど、登場人物の立場や物語の展開に応じて異なる一面を見せるかたちで描かれる。そして魔女やその棲む異空間の描写には、劇団イヌカレーが得意とするコラージュの技法が用いられ、アニメキャラクターとして描かれた主要登場人物とは異質な質感で描かれている。秩序ある日常の中におぞましい異物が出現することで、少女たちの日常が異界の不条理なルールによって破壊されることの暴力性が表現されており、こうした演出が蒼樹の画風と虚淵の作風を同一の世界で繋ぐ役割も果たしている。

梶浦由記が手掛ける劇伴曲は、第3話まではもっぱらアコースティック・ギターやピアノを用いたアンビエント系の楽曲が用いられた一方、重苦しい展開となる第4話以降では印象的なコーラスやスキャットを用いるニューエイジ調のダークな曲が中心となるなど、展開や場面の内容に応じた使い分けが行われている。梶浦がしばしば用いる、架空の言語によるスキャットの歌詞は本作品でも多用されており、劇伴曲の中には異国の言葉を用いた歌のように聞こえるものもあるが、これらの曲の歌詞に意味は設定されていない。

魔法少女たちの能力には一長一短が設定され、特性を生かすためには駆け引きが必要であるとされているが、新房によれば、実際の作品は当初の想定よりもけれん味に重きを置いたものとなった。

本作品では魔法少女に力を授けるマスコット的な動物の正体が、実は信頼できないエイリアンで、諸悪の根源であり、人間とは異質な価値観を持ち分かり合うことができない存在であるという、一般的な魔法少女もののジャンルにおける約束事を外した設定が用いられており、これが物語の発想の基幹となるモチーフにもなっている。劇中で「キュゥべえ」という名で呼ばれているこのエイリアンは、脚本やキャラクター原案の段階ではかわいらしい動物のように見せかけることが意図されていたものの、テレビアニメ本編ではあえて口や目を動かさずにしゃべるという不自然さを強調した演出がされ、さらには先の展開を知っているスタッフによって監督の思惑以上に不気味で邪悪な演出がされた。敢えて邪悪な表情は見せないものの、アップの演出や、意味深な場所に立っている描写が多用されるなど、神出鬼没で画面に出てくるだけでも怖い存在として描かれており、第5話で契約を交わす場面はホラーのように演出され、第8話で銃殺されても平然と復活する場面は悪魔のようにも描かれた。こうしたキュゥべえの出番には、アフレコの際にも出演者から「出た」「キャーキャー」といった悲鳴が上がったという。

プロデューサーの岩上敦宏は、魔法少女アニメを企画した動機について、『魔法少女リリカルなのは』（2004年）で一度魔法少女アニメを手がけた新房昭之から「魔法少女か探偵ものをやってみたい」という話を聞いたことと、岩上がロボットや魔法少女が「アニメの魅力を一番発揮できるジャンル」であると考えていたことにあると述べており、岩上の「新房監督の新たな魔法少女作品を観てみたい、それも監督独自の映像的な個性をより出しやすいオリジナル作品で」という発想の元、本作品の企画は始まったとされる。

そして、キャラクターデザインの原案には蒼樹うめ、脚本には虚淵玄という組み合わせが岩上によって企画を立ち上げる最初期の段階で行われた。蒼樹は本作品と同様に岩上と新房が関わったテレビアニメ『ひだまりスケッチ』の原作者であり、蒼樹の手がけた同人誌で描かれていた憂いの表情を別の作品で活かしたいと岩上が考えていたことが本作品への起用に繋がった。虚淵は3人との仕事は初めてとなるが、その起用経緯については岩上は、劇場版『空の境界』の試写会の席で奈須きのこを介して虚淵と知り合い、その後虚淵の小説『Fate/Zero』をアニメ化する企画を持ちかける過程で、虚淵を本作品にも起用することを思い立ったとされる。岩上はこの2人を組み合わせたことについて、脚本だけでなくキャラクターデザインもシリアスでハードなものにしてしまうと見る人が限定されてしまうため、ハードでシリアスな物語をアイドルが演じる「すごく面白いアイドル映画」に近いイメージで企画したとしている。

主要スタッフによる最初の会議は2008年10月ごろに行われ、願いを叶えた魔法少女がやがて魔女になってしまうという設定や、魔法少女を戦いに導く動物（キュゥべえ）が、かわいらしい外見ながら世界のための犠牲を平然と肯定するような価値観の持ち主であること、主人公が魔法少女になることを否定的に捉えつつも最後は魔女となって世界を救う結末などが決定された。なお、プロデューサーの岩上から最初に提示された題目は「魔法少女が次々と脱落するバトルロイヤルもの」というものであったという。この段階で想定されていた登場人物は、明るく理想主義の主人公、主人公と友情を築く現実主義の魔法少女、魔女の血を引き才能に恵まれた魔法少女、オタクの魔法少女という4人で、また魔法学園ものになる案も検討されていた。

タイトルに「魔法少女」を冠する点にこだわったのは新房で、「まどか☆マギカ」の部分は岩上がつけたものである。最初の仮題は、虚淵がつけた『魔法少女黙示録 まどかマギカ』であったが、その後すぐ「『黙示録』はやめよう」という話になり、『まどかマギカ』だけにしようという案もあったが、新房は「魔法少女」という文字を入れないのなら魔法少女アニメとしてやる意味がないと主張し、このタイトルとなった。なおタイトルをラテン語で訳すと「PUELLA MAGI MADOKA MAGICA」となり、タイトルロゴにこの表記がある。

虚淵へのオファーは、プロデューサーの岩上が『Fate/Zero』を読んだことをきっかけとする推挙であったため、虚淵もどういう作風を求められているのかは明白だったといい、物語を組み立てる際には同作での経験を生かしたとしている。その一方でキャラクター原案が蒼樹うめだと聞いたときには戸惑いがあったといい、蒼樹のキャラクターを自らの作風に取り込むとどうなるのかを考えるために『ひだまりスケッチ』を何度も読み返したという。

虚淵は企画会議でゴーサインが出た直後から構成案に取り掛かり、2回目の会議までに全13話構成のあらすじをA4用紙2ページ分にまとめた構成案を提出している。そして、構成案が出た会議にて1話を減らして全12話になることが決定された。構成案ではさやかが絶望して魔女となってしまう理由が未定であるなど、第6話から第8話までの内容が煮詰められていなかったが、伏せられた事実を段階的に明かしていくという構成が既に決まっており、基本的な構成はほとんど変更されていない。虚淵は本作品の構成について、自身が参加した2009年のテレビアニメ『Phantom 〜Requiem for the Phantom〜』においてシリーズ構成を担当した、黒田洋介の手法を参考にしており、第3話に最初の山場を設ける構成も黒田から学んだことであるとしている。

構成案を元にした脚本の執筆は、2008年末から2009年末にかけて毎月1話分のペースで進められたが、脚本会議に提出された第1稿はほぼそのまま通り、後から固有名詞の変更や、戦闘シーンのイメージの反映、および矛盾点の修正などは行われたものの、監督から修正を要求することはほとんどなかった。監督の新房は虚淵をアニメ脚本家ではなく作家として見ていたため、最初から物語の展開に手を入れる気はなかったといい、脚本の勢いを殺さない意図もあったとしている。しかし、虚淵にとってシナリオの仕事とは7割の修正を余儀なくされるのが常であり、前例のない体験であったという。魔法少女たちの戦いについて、岩上が企画した当初は「能力戦」「誰が勝つか分からないバトルロイヤル」といった方向性を想定していたが、脚本段階では戦闘の詳細な内容はほとんど詰められなかった。

登場人物のネーミングは虚淵が行っているが、一風変わった名前の方がネットでの検索エンジンでも検索されやすいとの理由から、特徴的な名前が付けられており、主要人物は女性名にも聞こえるような苗字となっている。まどかの母や仁美といったサブキャラクターの設定や役割は、脚本を書き進める段階で固められた。

蒼樹うめによるキャラクター原案の第1稿も、最初の企画会議が行われた2008年10月ごろから描き進められた。蒼樹が描き始める際にはあらすじや設定のほかに、各キャラクターのイメージカラーも虚淵からは伝えられていたが、そのことを途中で忘れたままの状態で初期稿を仕上げており、第1稿は蒼樹にとって自信のないものだったと蒼樹は述懐している。しかし、新房たちから修正点を指摘されることはほぼなく、第2稿では蒼樹が自主的に試行錯誤を重ねていった。その後、第3稿を経て決定稿へ至った。なお虚淵によれば、全体の構成案を作る前の段階で蒼樹からデータでラフ画の画稿が送られていたという。

魔女に関する設定・魔女や魔獣のデザイン・結界内の美術などは、ほとんど全てを劇団イヌカレーが担当している。監督の新房には魔女のビジュアルを一般的なイメージとは違うものにしたいという思惑があり、『獄・さよなら絶望先生』製作の際にオープニングアニメーションを担当した劇団イヌカレーを起用することを脚本会議の段階から要望していた。美術設定の会議は2010年5月に行われ、劇団イヌカレーは既に全て上がっていた脚本を事前に読んでからイメージをすり合わせた。魔女の各設定は脚本を基に起こされているが、設定と脚本が食い違った際には、脚本を魔女の設定へ寄せたこともあった。

監督の新房は本作品を『魔法少女リリカルなのは』とは違う印象の作品にしたいという考えがあり、2004年の監督作品『コゼットの肖像』の延長線にある作品であると位置付けていた。脚本の虚淵も、漠然とではあるが『コゼットの肖像』の映像感覚を想定しながら脚本を執筆したと述べている。

本作品ではシャフトの制作ラインの関係から、企画の進行が中断していた時期があり、脚本が完成してからアニメの制作が開始するまでは2年ほどの間が空いた。しかし、新房はこれが結果的にはクールダウンの期間として機能したと語っている。

実務的なスタッフィングはアニメーションプロデューサーの岩城忠雄が行い、キャラクターデザインの岸田隆宏を始め、それまでのシャフト作品とは縁の薄いアニメーターが多く参加することとなった。シリーズディレクターの宮本幸裕は途中から制作に加わっており、放映の3、4か月前から参加したという。

絵コンテなどには注意事項の記載や新房自らによる修正が多く入れられた。一方で、新房には制作作業が予定調和になってしまうと普通の作品になってしまうという発想から、スタッフに詳しい内容を教えずに作業をさせることがあり、エンディングアニメーションの絵コンテから撮影までを1人で担当した鈴木博文には作品内容が伝えられず、鈴木は自主的に調べて映像を仕上げることとなった。脚本段階で詰められなかったアクションシーンの詳細は、監督の新房、脚本の虚淵、シリーズディレクターの宮本、アクションディレクターの阿部望の話し合いで決められた。

本作品のキャラクターデザインは輪郭線を二重に取る、目に斜線を入れるといったアニメーションの作画としては挑戦的なタッチが用いられているが、作画陣には浸透せず、絵としてまとまったのは9、10話辺りだと新房は述べている。

音響監督は楽音舎の鶴岡陽太が務めており、音響の制作は雰囲気に流されず、脚本の組み立てに合わせてコンセプトをしっかりさせるという方向性で進められた。声優のオーディションの時点で現場には大まかなシナリオチャートが用意されていたため、大半のキャストはシビアな展開の作品であることを理解した上でアフレコに入った。マミ役の水橋かおりも3話で自らが演じる役が死亡することは事前に知っての参加だったという。ただし、キュゥべえに関してはその素性が知らされておらず、キュゥべえ役の加藤英美里は収録が始まった時点ではかわいいマスコットキャラクターとして演じていた。またキュゥべえに関しては3話までは尻尾を上げるときにかわいらしいSEが付けられていたが、途中からなくなっている。

魔女の声に関しては、設定を考えた劇団イヌカレーに具体的なイメージがあり、劇団イヌカレーからの伝言を元にして試行錯誤が行われた。

劇伴曲を手がける梶浦由記は『コゼットの肖像』で新房と組んだ経験があり、さらに虚淵の強い要望から起用となった。梶浦は、キャラクターデザインと全話の脚本を渡され、具体的にどの場面で使う曲であるのかを指定する形で発注を受けた。こうした発注方法は普通は行われず、脚本が早い段階で完成していた本作品ならではの発注方法とされる。ただし別の場面のために作られたものの、音響監督の判断で巴マミのテーマ曲として転用された楽曲“Credens justitiam”や、後になってから「人魚の魔女」の専用曲として急遽追加発注された楽曲“Symposium magarum”など、例外的なものもあった。なお、梶浦は渡された脚本を電車の中で読み、降車駅を乗り過ごしてしまうほど夢中で脚本を読んだ末にヒットを確信したといい、企画に乗り気であったという。

劇伴曲集はBD/DVDの特典としてリリースされ、Vol.1は第2巻、Vol.2は第4巻、Vol3は第6巻の初回限定版に収録されている。またこれらのサウンドトラックと後述の主題歌、梶浦による新規書き下ろし楽曲を収録した『魔法少女まどか☆マギカ MUSIC COLLECTION』が2013年12月25日に発売された。なお劇伴曲にはラテン語の曲名がつけられているが、これらはサウンドトラックの収録時にアニプレックスによってつけられたもので、制作スタッフの間では番号で呼ばれていた。

オープニングテーマにはClariSが起用された。第10話、最終話（第12話）にはオープニングアニメーションがなく、直接本編が開始される。

エンディングテーマにはKalafinaが起用された。オンエア版の第1話、第2話、第9話、第11話はエンディングアニメーションがなく、本編ラストシーンにかかるかたちでエンドクレジットが流された。第10話、最終話では主題歌「コネクト」がエンディングテーマとして使用された。BD/DVD版では第1話、第2話、第9話にオリジナルのエンディングテーマと一枚絵の映像が使用されている。

劇伴曲の中には歌のように聞こえる曲もあるが、多くは歌詞に意味が設定されていないスキャットである（詳細は「#表現手法」を参照）。例外としてオープニングテーマ、エンディングテーマが挿入歌として使用されている場面がある。

本作品では先の読めない展開を視聴者に楽しんでもらうという方針から、放送前にはストーリーに関わる情報は徹底的に伏せられており、番組公式サイト上では監督の新房は「今までになかった新しい『魔法少女』ができるのではないでしょうか」というコメントを残し、虚淵は「テレビの前の皆様が温かく幸せな気持ちで一杯になってもらえるよう、精一杯頑張ります!」と発言していた。しかし、魔法少女の一人が退場する第3話の放送後には、虚淵は自身のTwitterで放送前までの自身のコメントなどが「展開を見透かされないためのミスリード」だったことを認め、「これからは普通の虚淵に戻ります」と宣言した。

重厚な設定や悲壮な展開は注目を集め、放送が行われていない日本国外の地域から寄せられたものを含めた様々な反響があり、同時期のテレビアニメの中では抜きんでた話題を集めたが、最終回を前に、2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震と、それに伴う東日本大震災のための特別報道番組によって本作品の放送が中止となり、第11話以降の放送およびネット配信も「自粛」を理由に延期されることとなり、放送が危ぶまれた。

2011年3月末までの放送を予定していたレギュラー放送はそのまま終了となったが、公式Twitter上で、レギュラー放送とは違った形で4月中に最終話までの公開を目指す旨が発表され、その後の告知で、最終回は放送休止となっていた2話または3話分（放送局により異なる）の未放送エピソードをまとめて放送する形となることが発表された。その間には最終回がいつ放送されるのかが話題となり、ゲームメーカーなどがエイプリルフールのネタとして本作品を取り上げたほか、第11話と最終話（第12話）の台本がインターネットオークションや掲示板へ流出するというトラブルもあった。放送日は2011年4月21日深夜（4月22日未明）となり、最終回の集中放送当日の読売新聞朝刊（統合版地域は除く）には全面広告が掲載されるなど、大々的な告知も行われた。テレビアニメが何らかの事情で予定の期間内に最終話までの放送を完了できなかった場合、そのまま打ち切りになってしまうことも多い中、こうしたかたちで放送が行われたり、新聞広告を用いた告知が行われたりすることは極めて異例とされる。平日の深夜3時放送となった最終回はネット上や秋葉原でも大きく盛り上がり、視聴率は高く、MBSで2.3パーセントを記録。同占拠率は22.6パーセントだった（共にビデオリサーチ調べ）。

日本国外では2011年6月18日19時から25時（JST）にかけ、ニコニコ生放送で日本・台湾同時全話生配信を行った。台湾での視聴者に向けて中国語（繁体字）での字幕を付加している。放送後に視聴者数は104万2356人、総コメント数は189万9936件と公表され、いずれも同配信サイトで行われたアニメ番組一挙放送企画における最多記録を更新した。

イタリアでは、国営放送であるイタリア放送協会のRai 4（英語版）で、現地時間の2012年2月5日から日曜午前10時（UTC +1）の「Anime Morning」枠内にてイタリア語吹き替え版が放送されている。また放送に伴ってイタリアのAmazonDVD総合ランキングの1位に本作品のBDが登り出たこともあった。

韓国では日本の放送の1週間後にケーブルチャンネルで放送され、全作品で視聴率1位を獲得している。

2012年2月11日の13時30分（JST）からは、英語吹替版BD/DVDの発売を記念して、ニコニコ生放送で日本・アメリカ合衆国・カナダ・イギリス・オーストラリア・ニュージーランドの全6か国に向けた英語吹き替え版の配信が行われた。

香港で2014年11月19日に開局したネットテレビ局香港電視（HKTV）は、開局前にサーバーのストレステストを行うため、11月9日のテスト期間（日本時間23 - 24時）に本作品の広東語吹き替えバージョンの第2話、第3話を試験放送し、また本作品の第1話から第4話を配信した。開局翌日の11月20日から11月23日は第1話から第4話を23時30分（JST）、翌3時30分、18時30分（第3話初放送は24時、第5話初放送は24時30分）にリアルタイム形式、11月24日朝7時に第5話から第11話をVODとリアルタイム形式の放送し、最終話は12月1日に両方で放送した。

日本市場にて2011年4月27日に発売されたBD第1巻の初週売上は5万3000枚となり、テレビアニメのBD初週売上としてはそれまでの最高だった『化物語』第6巻の5万1000枚を抜き、当時の最高売上を記録した。さらにその記録は5万4000枚の初週売上を記録したBD第2巻によって塗り替えられ、2011年のテレビアニメのBD売上は第1巻 - 第3巻が歴代3位までを独占していた。BDとDVDの総売上は2012年10月2日時点で、当時の深夜アニメとしては異例の60万枚を記録している。

本作品はグッズ販売も大きく展開されており、第3話の放送後には使用許諾のオファーの電話が殺到し、結果的に2012年春時点で100社近くものメーカーが製品を制作し、ライセンス収入は当初の予想の数十倍におよんだ。フィギュアも2011年・2012年のグッドスマイルカンパニー内の年間ランキングやAmazon.co.jpにおけるホビー部門の年間ランキングにおいて、本作品関連の商品が複数ランク入りする人気を見せている。通常ではライセンスビジネスはテレビ放映から6か月程度で終息することが多い中、本作品の場合放送から8年経った2019年においても展開が継続しており、グッズの累計売上総額も2013年時点で約400億円に達している。

北米市場では、以前に比べて日本のアニメが存在感を示すことがない状況が続いていたが、本作品ブックレット付属の吹き替え版DVDは通常の約2倍の値段ながら予約で完売する好調さを見せた。

『劇場版 魔法少女まどか☆マギカ』は深夜アニメ発の映画作品としては初めて20億円を突破する興行収入を記録し、2014年4月2日に発売されたのBD完全生産限定版は初週で12万8000枚を売り上げ、アニメBDとしては『ヱヴァンゲリヲン新劇場版:破』『ヱヴァンゲリヲン新劇場版:Q』に次ぐ歴代3位の初週売上を記録した。

本作品が放送された当時の日本の深夜アニメの傾向として、売り上げの予想が立てられないオリジナルアニメ作品は商業的には不利であると見なされて敬遠され、漫画やライトノベルなど原作付きのアニメが主流となる傾向が強くなっていた。本作品に関しても、当初はスタッフの間でも女児向けの魔法少女アニメの改編期との競合を不安視する意見もあり、実際に放送開始前にはそれほど注目されているとは言い難かった。本作品のスタッフとして「ファンシーかつ優しい絵柄と物語作り」の蒼樹うめ、『化物語』などを手掛けたシャフトなどと共に、「シナリオの暴力的描写がアダルト」である虚淵玄の名がスタッフとして発表された際には、異色の組み合わせとして受け取られたが、ストーリーに関わる情報は徹底的に伏せられたため、その後はそれほど話題になることはなかった。しかし、衝撃的な展開となった第3話は反響を呼び、その後も魔法少女の苦悩を描いた内容が各所で話題となっていった。アニメ評論家の氷川竜介は魔法少女・美少女アニメの枠組みや既成概念を乗り越え、近年の内閉的な傾向を打破した作品だと述べている。

延期されていた最終回の放送後は、アニメ雑誌各誌が熱の入った特集記事を競うように掲載し、普段はアニメを取り扱わない一部雑誌もそれに続き、評論本も出版された。評論家の宇野常寛は、2000年代の日本のサブカルチャー領域で流行した諸要素が散りばめられた総決算といえる作品だと評し、社会学者の宮台真司はドラマが他力本願になりがちなセカイ系が持つ課題を乗り越えた作品だと述べていた。漫画家の山田玲司は絵柄とその背後に迫る物とのバランスが絶妙であり日本のアニメの到達点と評している。

ファンの間でも作品解釈、分析、考察、ファンアートの発表などが、日本国内外のインターネット上やそれ以外のコミュニティで盛んに交わされた。こうした視聴者の盛り上がりの様相を「社会現象」として語るメディアも多い。また、『機動戦士ガンダム』『新世紀エヴァンゲリオン』と並べて「エポックメイキングなオリジナルアニメが15年あるいは16年の周期で出現する」という意見も出された。

原作となる作品の枯渇も起こっている中、2010年には『Angel Beats!』、2011年には本作品をはじめ、『TIGER & BUNNY』『あの日見た花の名前を僕達はまだ知らない。』『輪るピングドラム』といったオリジナル作品が相次いで注目を集めたこともあり、本作品のようなオリジナル作品でも方法によっては多くのファンを獲得できることが示され、先の見えない展開に対する話題性という強みがあることが見直された。また本作品が支持を得られた要因の一つとして、異なる分野で成功した作り手を取り揃えたスタッフ布陣が功を奏したという指摘もあった。

第15回文化庁メディア芸術祭に審査員として関わった映画監督の押井守は絵柄は好みではないが話は面白いといい、自らの若いころと比べてアニメでメタフィクション的構造を持つ作品が受け入れられたことを評価しなければいけないとしている。庵野秀明は記号化されたキャラクターとして徹底されたキュゥべえや魔女の記号化が巧く、音楽や第10話のほむらの描き方もよいと述べた。富野由悠季は『ガンダム Gのレコンギスタ』のキャラクター作りにあたり、本作品がプレッシャーになっていると述べた。スタジオジブリ代表取締役鈴木敏夫は押井守の作品より面白いと述べた。外部の作家にも反響を呼び、ミステリ作家の芦辺拓や小森健太朗、SF作家の山本弘、漫画家の吾妻ひでお、三浦建太郎、放送作家の鈴木おさむ、演出家のラサール石井、作家の太田光、樋口毅宏が絶賛した。ファイナルファンタジーシリーズの坂口博信も本作品のファンであると述べた。漫画原作者の小池一夫からは、2011年一番ヒットしたキャラクターは『まどか☆マギカ』であると評された。

2011年9月に第16回アニメーション神戸賞作品賞・テレビ部門を受賞。受賞理由の中で月刊ニュータイプ編集長の水野寛は、「夢や希望だけでは語れない〝魔法少女〟の世界に、多くのアニメファンが釘付けにされたのではないか」と評価、脚本の虚淵、キャラクター原案の蒼樹、異世界設計の劇団イヌカレーの三者の世界を融合し、それを監督の新房と制作会社のシャフトの手腕によって骨太のアニメーションに昇華させ、「早く次が見たいというテレビシリーズならではの醍醐味を味合わせてくれた」ということを選出理由にしている。

2011年10月に発表された『ニュータイプアニメアワード2011』では作品賞を始めとして12部門、主演女優賞（悠木碧）と助演女優賞（斎藤千和）も含めると14部門を制覇する結果となった。同じく2011年10月には第32回日本SF大賞にノミネートされ、受賞は逃すものの最終候補作のひとつに残った。日本SF大賞の選評においては、宮部みゆきから「ミステリーと友情物語とSF的思考を含んだ贅沢な造りで、劇中の台詞が観る者の心を揺さぶる」と物語が評価される一方で、「終盤のSF的解釈が弱く、SF作品とは別の感動が残った」と堀晃から述べられている。インターネット上でも「Google 年間検索ランキング 2011」のアニメタイトルの急上昇ランキングで年間1位となり、また本作品におけるマスコット的キャラクター・キュゥべえのセリフ「僕と契約して、魔法少女になってよ!」が元ネタの、「僕と契約して、○○になってよ!」が流行し、2011年度ネット流行語大賞銅賞（3位）を受賞した。

2011年12月には第15回文化庁メディア芸術祭アニメーション部門で大賞を受賞。テレビアニメ作品が大賞を受賞するのは前年の『四畳半神話大系』に続いて2度目である。贈賞理由では、アニメオリジナル作品である点を高く評価すると共に、ジャンルの根幹をも揺さぶる批評的な罠を仕掛けたこと、1週間経たないと続きが分からないテレビ放送のメディア特性を活用したことなどを評価点としてあげており、「何かを変えてみたいという変革のエネルギーが満ちあふれている。時代を変える触媒となる期待をこめ、大賞を贈る」としている。審査委員の古川タクは、「映像面で凝らなければいけない所に手が掛かっており、説得力がある」とし、本作品スタッフの今後に期待を寄せた。

2015年3月に開催されたSUGOI JAPAN AWARD 2015でグランプリを受賞。2005年から2014年の約10年間に発表されたマンガ、アニメ、ライトノベル、エンタメ小説をファン投票によって上位10作品に選出し、全部門を通じて最多得票の7万7631票を獲得したアニメ部門1位の本作品が初代グランプリとなった。

また、フランスでもAnime & Manga 19th Grand Prixで最優秀エスポワール（希望）賞を受賞している。

2017年3月10日には東京アニメアワードが「日本のアニメーション史に残る100作品」を発表したが、2010年代のテレビアニメでは本作品が唯一選ばれた。

2017年5月3日に行われたNHKによる特集「ベスト・アニメ100」では、約1万タイトルの中から本作品が男性票1位、総合3位を獲得した。

芸術新潮は2017年9月号で日本アニメ100年の歴史で最も重要な10作品、「日本アニメベスト10」という批評家からの投票を行ったが、本作品が5位となった。

Yahoo! JAPANは2019年3月に「Yahoo!ニュース編集部が選ぶ平成30年史」を発表し、平成の印象的な出来事として21世紀のテレビアニメでは本作品が唯一挙げられた。

• 第16回アニメーション神戸賞作品賞・テレビ部門
• ニュータイプアニメアワード2011
• 作品賞（テレビ放送作品）
• キャラクター賞（女性） - 暁美ほむら
• キャラクター賞（マスコット） - キュゥべえ
• 主演女優賞 - 悠木碧
• 助演女優賞 - 斎藤千和
• 主題歌賞 - コネクト
• 劇伴賞
• 監督賞
• シナリオ賞
• キャラクターデザイン賞
• 撮影賞
• 美術賞
• 色彩設定賞
• エフェクト賞
• 第32回日本SF大賞ノミネート
• ネット流行語大賞2011銅賞 - 「僕と契約して、○○になってよ!」
• 第15回文化庁メディア芸術祭アニメーション部門大賞
• 第11回センス・オブ・ジェンダー賞シスターフッド賞
• アニメージュ第34回アニメグランプリ グランプリ Editors Choice

• 作品賞（テレビ放送作品）
• キャラクター賞（女性） - 暁美ほむら
• キャラクター賞（マスコット） - キュゥべえ
• 主演女優賞 - 悠木碧
• 助演女優賞 - 斎藤千和
• 主題歌賞 - コネクト
• 劇伴賞
• 監督賞
• シナリオ賞
• キャラクターデザイン賞
• 撮影賞
• 美術賞
• 色彩設定賞
• エフェクト賞

• 東京国際アニメフェア2012・第11回東京アニメアワード
• テレビ部門優秀作品賞
• 個人部門監督賞 - 新房昭之
• 個人部門脚本賞 - 虚淵玄
• 第6回声優アワード
• 主演女優賞 - 悠木碧
• 助演女優賞 - 加藤英美里
• 日刊スポーツ第1回日刊アニメグランプリ
• クイーンオブヒロイン賞 - 鹿目まどか
• ワーストダークキャラ賞 - キュゥべえ
• ベストテレビアニメ賞
• ベストアニメ楽曲賞 - コネクト
• MIP女性声優賞 - 悠木碧
• 第32回パリ・ブックフェア第19回アニメ＆マンガ大賞最優秀エスポワール賞
• Licensing of the Year 2012 in JAPAN選定委員特別賞
• 第43回星雲賞メディア部門
• SUGOI JAPAN AWARD 2015
• グランプリ
• アニメ部門1位
• NHK「ベスト・アニメ100」
• 男性部門1位
• 総合3位
• 平成アニソン大賞 2010-2019年作品賞 - コネクト

• テレビ部門優秀作品賞
• 個人部門監督賞 - 新房昭之
• 個人部門脚本賞 - 虚淵玄

• 主演女優賞 - 悠木碧
• 助演女優賞 - 加藤英美里

• クイーンオブヒロイン賞 - 鹿目まどか
• ワーストダークキャラ賞 - キュゥべえ
• ベストテレビアニメ賞
• ベストアニメ楽曲賞 - コネクト
• MIP女性声優賞 - 悠木碧

• グランプリ
• アニメ部門1位

• 男性部門1位
• 総合3位