ミッドナイトチャンネル
前史
そもそもNHKは深夜放送（24時 - 翌朝6時）は特殊な事例（台風や地震と言った大きな災害や交通ストライキ、国際情勢、オリンピックやワールドカップサッカー大会などの国際的な大型スポーツ大会など）を除けば原則として行わなかった。またオイルショックの影響を受けて、1974年1月 - 1984年3月は23時まで（後に平日のみ23:15まで、週末=金・土曜は夜の指定席放送のため24:00まで）で放送休止となった。
しかし1988年9月の昭和天皇重体に関連するニュース速報の体制を強化することから暫定的に総合テレビ、ラジオ第1放送、FM放送を24時間放送にして毎正時に昭和天皇の病状を伝えるニュースを放送し、それ以外の時間帯はフィラーとして静かな音楽を流すと共にテレビでは皇居二重橋や都内各所のお天気カメラからの映像を放送した。これが昭和天皇の崩御した1989年1月7日まで続いた。
深夜放送の段階的な時間拡大
その後、視聴者から深夜放送をしてほしいという要望が殺到したこと、また1995年1月17日の阪神・淡路大震災（兵庫県南部地震）を教訓とした深夜早朝の突発的な事故・事件に即座に対応できる編成を構築する目的でNHK総合テレビでは同年から段階を追って24時間放送に移行する計画を立てその一環としてまず初めは同年4月 - 1996年3月に早朝5:00の開始から深夜1:00までの時間拡大を試みた。この時は0時台に『ナイトセレクション』としてこれまでに放送してきたテレビ番組（地上波、衛星波問わず）のアンコール放送をした。
これを1996年4月からは2時まで拡大し平日0時台は地上波、1時台は衛星放送のそれぞれセレクションタイムとした。また毎週金・土曜深夜（時間上は土・日曜未明）は終夜放送として1 - 2時台を『週末特選』（しゅうまつとくせん）と題して金曜日はスポーツ、土曜日はドキュメントを中心にしたアンコールアワーとした。
「ミッドナイトチャンネル」開始=完全24時間放送への移行
そして1997年4月から本格的な24時間放送に移行するに当たって、帯番組としてスタートを切った。原則として毎日1～2時台の時間帯編成されており、これまでに放送されたNHKのテレビ番組（これも地上波、衛星波を問わず）の中から特に視聴者の反響の多かった作品をセレクトして放送する。なお1999年までは曜日により0時台にもアンコール枠「ナイトセレクション」を継続して編成していたが、2000年の大規模改編により当番組へ統合された。
番組開始当初の1997年度は日替わりでジャンルを分けていたが1998年度以降はそういった形にせず、定期的に地域放送特集や人気番組の集中アンコールを放送したりするなどテーマを定めて放送するケースも多い。特に「高専ロボコン」・「NHK青春メッセージ」の全国大会開催（放送）が近づくと、それに合わせて8つの地区大会（北海道、東北、関東甲信越、東海北陸、近畿、中国、四国、九州沖縄）の模様を取り上げて集中編成している。また後述の通り、2009年から、毎年6月と11月の特定期間には、「録っておき再放送週間」と題して、国際的なスポーツイベントの中継などによる本放送休止に伴う再放送のストック補充を考慮して、過去の番組の集中再放送やキャッチアップ放送を行う期間もある。
2000年4月より、これまで放送設備点検のため休止となっていた日曜日の放送を第2・4・5週に限り開始。その後緊急有事対策強化のため同年7月より深夜の放送休止（日曜・および年数回のメンテナンス期間中の平日）は全国一斉から各局の任意設定に変更され事実上全日24時間放送となった。
2003年秋期、再放送枠の登場
2003年9月29日の秋期改編で日中14～16時台に行っていた定時放送の再放送枠（以下、「再放送」）が廃止、生放送番組『お元気ですか日本列島』（地域によっては15 - 16時台にローカル放送を入れていた所もある）がスタート。その振り替えで1時台に再放送枠が入り、これまでのアンコール枠（以下、「アンコール」）は2時台中心となった。2004年3月29日の春期改編（『おはよう日本』や開始起点時刻の繰り上げ等を実施）ではアンコールは主に週末を中心に変更、2005年度からは平日も再放送終了後に編成するようになった。なお、この番組終了後の3時台 - 4:20迄はフィラーとして『映像散歩』が放送されている（これは教育テレビの深夜放送でも同様に行われていた）。
2005年4月2日深夜（=3日未明）から原則として毎週土曜深夜（=日曜未明）のこの枠で、近畿地方向けには『かんさいミッドナイトセレクション』を放送する。この枠では主として近畿地方各局が製作した番組（全国放送・ローカル問わず）の中から再放送の要望が多かった番組を選んで放映する。
2006年3月末をもってNHK教育テレビジョンの24時間放送が一旦終了したため、今後は『ETVライブラリー』で放映されてきた教養番組のアンコールが編成される可能性もある。また、土曜日深夜（日曜日未明）原則0時台は2006年4月より週替わりの単発番組（初回放送）を編成している。
2008年3月31日の改編で定時再放送の時間帯を主に午前3時以降などに変更、深夜のアンコール放送を1-2時台に繰り上げた。午前0時台は新しい深夜レーベル『EYES』が登場、金曜深夜（土曜未明）の『とくせん』では若年層向けに他系統で放送の番組をアンコール。この改編では日中15～16時台に再放送枠を復活させている（『元気列島』の放送時間が短縮になったため）。
2009年度
2009年3月30日実施の改編では経営計画が改められたこともあり、定時再放送枠自体が一部を除き消滅。再度枠が拡大された。
2010年度
『EYES』が廃止されるのと23時台の番組編成の見直しなどで、水曜・木曜深夜（実際の日付では翌曜日未明。以下同じ）0時台と1時台の一部に新番組を組む以外は月曜 - 木曜 0:15 - 2:50（日によって2:45）までに直近のゴールデンタイム・プライムタイム番組の再放送を再強化することとなった。
2011・2012年度
定時再放送などは主に0:15 - 2:00（2011年度前期の水曜は-3:15）の間に編成。それ以後はアンコールアワーであるが、3月11日に発生した東日本大震災の影響などから、当面月曜 - 木曜（水曜深夜除く）は3時台以後に放送されているフィラーの映像散歩を繰り上げて対応していた。
2011年5月6日深夜（=7日未明）から原則として毎週金曜深夜（=土曜未明）のこの枠で、近畿地方向けには『よるtoもっと』を放送した。この枠では主として全国放送の番組の中から再放送を行っていた。また、7月24日のデジタル放送への完全移行後は、近畿地方でマルチ編成による放送（011chが「よるtoもっと」「かんさいミッドナイトセレクション」のいずれか、012chが当番組）で行う場合もあったがいずれも2012年3月終了となった。
2012年度は月曜 - 木曜 深夜0:25 - 0:47（夏休み親子大会の回は0:48）に「連続クイズ ホールドオン!」の再放送が設定され、以降の時間帯の番組については大きな変更はなく時間帯を繰り下げて放送していたが、「連続クイズ ホールドオン!」の再放送が8月末で打ち切られたため、9月より以降の番組の時間帯が繰り上げられることとなった（ただし、火曜深夜については「日韓共同制作ドラマ　赤と黒」の再放送を行うため以降の番組は繰り下げての放送となる）。また前述どおり、週末の関西ローカルでの差し替えがなくなり、全国同一内容での放送に戻った（特番やスポーツ中継などやむをえない事情でのローカル差し替えは従来どおりある）。
また初期より、番組開始時に30秒間のオープニング映像（「MIDNIGHTChannel ミッドナイトチャンネル」と表示した後、テロップで「番組名」と「本放送のチャンネル名・本放送日」、地方局で放送した番組の場合は「○○地方で○月○日放送」と表示。番組終了後に翌日の放送予定映像を流す場合もあった）を流していたが、2011年頃より流れなくなっており、以降は放送番組未定時にEPGに「ミッドナイトチャンネル」と表示される程度となっている。
2013・2014年度
2013年度は23:20からの「Sportsプラス」・「NEWS WEB」・「時論・公論」からの流れで、番組表上当日（日付上は前日）の19:30から放送される「クローズアップ現代」を再放送することになったほか、新番組として月曜24時台に「地方発 ドキュメンタリー」を新設。また一部の番組も再放送の日時を変更するなどしている。2014年度は新たに「MUSIC JAPAN」を日曜24時台に移設し、「土曜ドラマ（または土曜21時台放送分のNHKスペシャル）」や「ヨルアニ」など一部の放送時間が変更された以外は、ほとんど前年と同じである。
2015年度
これまで0時台前半に行っていた「クローズアップ現代」の再放送を1時台にスライドさせ、0時台はゴールデン枠の再放送を中心に編成。水曜深夜には新番組として、「NEXT 未来のために」と「英国一家、日本を食べる」（アニメ）を新設。土曜 1:35以後は「ウィークエンド特選」として、過去に放送された連続ドラマやバラエティー、単発枠のアンコールとして放送する。
なお一部番組の再放送については、14時台の生放送が、17時台に新設される新報道番組「ニュース シブ5時」への統合により廃止されるため、14時台に一部移設する。
2016年度
「クローズアップ現代」が22時台に「クローズアップ現代+（クロ現+）」と改題・移設する関係で左記番組の再放送が廃止されることになり、その分単発枠などの時間が拡大されたほか、14時台に「スタジオパークからこんにちは」第2部が編成され、同時間帯の再放送枠が廃止になったため、一部のゴールデン・プライム枠の再放送（主に連続ドラマなど）が0-1時台に放送されている。
2017年度
生放送の情報番組を再強化する観点から、15・16時台の再放送枠が廃止されたため、新たに午前3時台（基本3:40-4:10）にも定時番組の再放送が組まれた。
録っておき再放送週間
2009年から11月、および6月の特定の1・2週間程度には「録っておき再放送」週間と銘打ち、以前放送された番組の集中再放送を展開する。これは季節特番（夏休み・年末年始編成）の実施やウィンブルドン選手権（毎年6・7月）、2010 FIFAワールドカップ、参議院選挙政見放送（2010年6月）、広州アジア競技会（2010年11月）などによりゴールデンタイムの番組が休止され、再放送のストックが尽きてしまう場合も考慮したものでもある。
期間中は『チェイス〜国税査察官〜』の全6回集中再放送、『連続人形活劇 新・三銃士』の序盤9回分のキャッチアップ放送、『ブラタモリ』第1期のアンコール、W杯関連の特番の集中再放送などを展開している。
また2013年8月には『あまちゃん』フィーバーに乗じて、総合テレビ日曜11時台の『NHKとっておきサンデー』にて放送された「あまちゃん1週間」の直近の放送（第20週）までをまとめてキャッチアップ放送した。これが同年末に10時間以上にわたる年末集中再放送の実現にもつながった。同枠では2017年8月にも『ひょっこ1週間』の第1-17週を2日間にまたいでキャッチアップ放送する『ひょっこ一週間一挙放送・ひょっこダイジェスト入ります!!』が放送された。
一斉休止と台風情報等の提供について
開始当初、毎週日曜日（年末年始は除く）の深夜と年数回の特定期間、機械メンテナンスのある期間は放送を一部休止していたが2000年7月以降はその期間（主に毎月第1・3週の日曜深夜と春・秋の特定期間）を設けているものの各放送局が任意で休止（または減力出力放送）日時を設定している為、以前のような一斉休止は無くなった（但し、2001年10月にNHK大阪放送会館が旧会館の隣接地に移転した時の放送設備更新時、および2004年3月と6月にNTT中継回線をアナログマイクロ波から光ファイバーのデジタル回線に移行する際に全国一斉に休止となったことがある）。
また天災（地震、台風など）や重大な事件・事故が発生した場合はその速報体制を行うため番組が休止や変更になることもある（台風・大雨災害の場合は特に被害の大きいもの（特別警報に相当する物、暴風域を伴う物）以外は通常30分、若しくは1時間の間隔で最新情報を1回10 - 20分程度放送し、それ以外はフィラーとして天気図・アメダス・警報一覧などを静かめのBGMを絡ませて放送している。特別警報相当の台風・大雨、地震や重要な事件・事故など、被害状況がひどい場合は中断せず断続的に放送することもある）。その場合、通常は午前0時台の番組のみ放送して、それ以後は1日の基点を迎えた後の平日は4:30、休日は5:00までの定時番組を休止する処置を取ることもある（2013年の平成25年台風第26号発生時のように、定時番組を通常放送しつつ、その谷間に5 - 10分程度のニュースを入れたり、また部分的な差し替え（一部休止）をする場合、また東日本大震災発生時や2014年の平成26年台風第8号のように午前0時台から定時番組を休止にする場合もある）。
九州地方に台風が接近中の場合、九州地方のみ午前0時台から定時番組を休止にする場合もある。(休止になった番組の後日振替はない。)この場合、NHK福岡放送局から1時間若しくは30分間隔で最新情報を1回10 - 15分程度放送し、それ以外はフィラーとして九州地方の天気図・アメダス・九州沖縄地方の警報一覧などを静かめのBGMを絡ませて放送しているが、他の地域は、プレマップ等の番組宣伝を休止して、NHK放送センターからの台風に関するニュースを放送しており、九州地方もこの台風に関するニュースを同時ネットするため、不規則な時間にフィラーとして流している九州地方の天気図・アメダス・九州沖縄地方の警報一覧などの表示が中断しニュースとなる。
その他、オリンピック、ワールドカップサッカー、ウィンブルドンテニス大会、メジャーリーグ（野球）といった国際的なスポーツ大会がある時もそれを優先することがある。
定時番組
4:13（番組開始当初は4:58→2004-2005年度は4:28→2006-2007年度は4:18）頃から放送日の切り替えのためのジャンクションとして「インターミッション」（環境映像・日章旗掲揚、各局ID）を放送。各曜日の最終定時番組終了後は基点時間まで単発アンコール、及びフィラーの映像散歩（事実上コンプレックス扱い　2008年度は土・日曜日のみ）を放送。
また日曜（特に第1・3週）、及び9月・10月と2月・3月のうちの2週間程度の集中メンテナンス実施日の深夜の定時放送終了後からは、地域によって放送設備メンテナンスのため放送休止・減力放送実施。
また大相撲本場所の開催期間中は、『大相撲・幕内の全取組』を編成させるほか、ゴルフ中継（世界ゴルフ選手権、日本オープンゴルフ選手権競技、日本女子オープンゴルフ選手権競技、日本シニアオープンゴルフ選手権競技他）、アメリカ大リーグ中継などを放送する場合もある。
☆は初回放送、それ以外は再放送