2012年12月13日の深夜に『アニメイズム』枠で第一報のCMが放送され、それと同時に公式サイトが開設された後、翌日の12月14日には報道向けの制作発表が行われた。放送開始前の宣伝の一環として、『アニメ コンテンツ エキスポ 2013』では作品出展に加え、2013年3月30日にステージイベント『「革命機ヴァルヴレイヴ」キックオフステージ』が開催された。事前に発表されていた主人公・時縞ハルト役の逢坂良太ら主要声優陣に加え、ドルシア側の声優陣が初めて発表されると共に登壇して主要声優12人が並び立ったほか、オープニングテーマ「Preserved Roses」を歌う西川貴教と水樹奈々も登壇し、「Preserved Roses」のシングルの発売日や、本作の誌面展開（詳細は#小説版や#漫画版を参照）が発表された。また、このイベントとは別に主役ロボ「ヴァルヴレイヴI」の約2メートル高の立像が製造され、2013年4月11日から同年4月13日まで秋葉原駅構内に展示されたほか、『「革命機ヴァルヴレイヴ」展』が2013年4月12日から同年4月24日まで東京アニメセンターで開催され、本作の版権画、スタッフや声優陣のサイン色紙、前述の立像、バンダイから発売されるプラモデルの展示、PVや第1話の上映などが行われた。なお、放送開始後の各種イベントについては#タイアップや#イベントを参照。
キャラクター原案には『D.Gray-man』の漫画家・星野桂、監督には『ローゼンメイデン』や『夏雪ランデブー』の演出家・松尾衡、シリーズ構成には『コードギアス 反逆のルルーシュ』の脚本家・大河内一楼、キャラクターデザインには『いばらの王』のアニメーター・鈴木竜也、メカニカルデザインには『機動戦士ガンダム』の大河原邦男や『PSYCHO-PASS』の石渡マコト、『蒼穹のファフナー』の鷲尾直広といった各デザイナーがそれぞれ起用された。また、デザイン協力には『コードギアス 反逆のルルーシュ』のアニメーター・木村貴宏が、オープニングアニメーションの絵コンテ・演出にはサンライズ作品の演出業へは初参加となるアニメーター・後藤圭二がそれぞれ起用された。音楽は『機動戦士Vガンダム』の千住明が担当している。ナレーションは本編と次回予告の両方を、アニメ作品以外のナレーション経験も豊富な声優・関俊彦が担当している。企画は放送開始の約3年前に遡る。サンライズのプロデューサー・池谷浩臣が各所からの「ロボットアニメをサンライズで作りたい」という声に応える形で、池谷と共に『機動戦士ガンダム00』などサンライズのロボットアニメに携わってきたMBSのプロデューサー・丸山博雄ら「オリジナルアニメに携わりたい」という面々が集い、立案に至った。松尾の起用については『機動戦士Ζガンダム A New Translation』や『模型戦士ガンプラビルダーズ ビギニングG』での実績、石渡の起用については多面的な要素、星野の起用についてはスタッフに『D.Gray-man』のファンが多数いたことがそれぞれ決め手となった。放送開始前の時点で1クール分の音声を収録済みというプレスコ形式で制作されており、後から作画以降の作業に取りかかっている。分割2クール放送は、2クール連続放送が難しいという制作状況を踏まえ、その代わりに視聴者の反響を後半1クールへ活かせるという見解によるものである。
それまでは車両特性の相違から本形式は他形式との連結を行なわず、NHE車単独で運用されてきたが、10両編成列車の増加に対応するため、1981年より他形式との連結の試験が行なわれた。この結果を踏まえ、1983年3月22日からは4000形を除く他形式との併結運用が開始された。ただし、小田原側に制御車と付随車が連続するという構成から、10両編成運用では新宿側に連結できないという制約は残った。1985年から車体の劣化部分の補修が開始され、1989年までに2652×6と2654×6の2編成を除いて車体修理は完了した。1987年以降に車体修理を施工した車両では、妻面の窓が固定化された。1986年1月からVVVFインバータ制御の現車試験を行なうことになり、2662×6の付随車であるサハ2762が試験車に選定された。サハ2762に搭載されたのは、三菱電機製のかご形三相誘導電動機であるMB-5019-A形で、三菱電機製のGTO素子使用のインバータ装置であるMAP-184-15V09形を搭載、回路接続は4個永久並列とされた。駆動装置はWNドライブ、歯車比は101:16 (6.31) に設定された。同年2月から試験走行が開始され、同年3月17日からは営業運転が開始された。その後も、性能試験とデータ収集が行なわれ、1987年11月に試験を終了し、付随車に戻された。1991年10月11日、台風による土砂崩れが多摩線黒川駅 - 小田急永山駅間で発生、2671×6が土砂に乗り上げ3両が脱線する事故が発生した。早期復旧のため小田原側の2両（サハ2771・クハ2871）は現地で解体され、1992年2月28日付で廃車となった。これがNHE車では初の廃車となった。2671×6の編成が車体修理を施工済みの編成であったことから、車体修理施工車を優先的に営業投入する方針となり、残された4両については、車体修理が未施工であった2654×6からサハ2754とクハ2854を組み込んで営業運転に復帰した。このため、1編成の中でサービスレベルの相違が見られる編成となった。