1927年4月1日の小田急開業と同時に、経堂車庫として開設された。当時の小田急では、他に座間車庫と足柄車庫が設けられていたが、車両検査などは経堂車庫で行なわれていた。1940年に経堂工場に改称されたが、この頃に車両検査の内容によって業務分担が行なわれるようになった。1948年に大東急から分離した小田急では、仕業検査については電車区で行ない、交番検査よりも大きい検査は、電車については経堂工場で、機関車や貨車については相武台工場（旧・座間車庫）で行なうようになった。さらに、1950年には仕業検査と交番検査を行なう現業機関として経堂検車区が発足し、経堂工場では重要部検査と全般検査を行なうことになった。この時期から、小田急では編成単位で車両の検査を行なうようになった。これは、定期検査を編成単位で行なうことによって留置車両を最低限に抑える目的で行なわれたもので、当時は電動車と付随車では検査周期が異なっていたが、旧型車両でも固定編成としてまとめて入場させていた。しかし現実には、経堂工場は編成単位で検査できるだけの設備ではなかった。4両まとめて入場できるようなピット設備もなく、検査入場する際には結局固定編成を分割して検査を行なっていた。定期検査の1工程で30回程度の入換作業が行なわれるため、1953年には連結・開放の作業を遠隔作業で行なうために、構内に放置されていたモニ1形の台枠や廃品を活用した入換用動力車としてデト1形が製作され、機械扱いで稼動を開始した。1957年、全長108mの連接車である3000形SE車が入線すると、有効長の短い経堂工場の構内作業にも変化があった。通常のボギー車であれば、たとえ固定編成であっても切り離し自体は容易であったが、連接車では片方の車体をリフティングジャッキで持ち上げないと切り離しが出来なかった。リフティングジャッキは北棟と中央棟に1台ずつあるのみであったが、SE車は新宿側の車両の台車の上に小田原側の車両が乗る形態であったため、切り離しのために何度も車庫内への出入りを繰り返すことが予想された。経堂検車区との間には踏切が存在したため、このような作業を行なうことで踏切を支障することも問題視された。このため、SE車の検査に対応させるために車庫線にリフティングジャッキが新設され、SE車はまずここで編成を分解してから整備を行なうことになった。分解された各車両は、構内の空いているところに1両から2両ずつ留置されていた。その後、1959年から2400形HE車の増備が開始されるなど、車両数はさらに増加することになった。しかし、経堂工場は住宅地に囲まれており、拡張の余地がなかった。このため、増加する車両に対応した効率のよい検修施設として、経堂工場と相武台工場を統合した大野工場が新設されることになり、1962年10月に経堂工場は廃止され、デト1形も大野工場に移管された。経堂工場の跡地には、10階建ての小田急経堂アパートとスーパー「Odakyu OX」経堂本店、名店街「ジョイフル」が建設されたが、2009年以降に再開発のため取り壊され、2011年に経堂コルティが建設された。また、工場南側の「車庫線」については3線が残され、留置線として使用されていたが、経堂駅付近の高架化時に廃止された。
2014年10月にフランスのカンヌで開催された『MIPCOM』で制作が発表された。ルパン三世が主人公のテレビシリーズとしては『ルパン三世 PartIII』以来30年ぶりとなり、プロデューサーの浄園祐は本作を「大塚康生ルパンの継承」と語っている。タイトルは「ルパン三世」であるが、BD・DVD版のタイトルにTVシリーズの『PART IV』と明記されたことや、アイキャッチにてルパンがTV第1シリーズの強敵たちに変装する描写などで、過去の作品との繋がりも暗示されてはいる。総監督には過去のアニメシリーズにアニメーター・作画監督として参加した友永和秀、シリーズ構成には『LUPIN THE IIIRD 次元大介の墓標』で脚本を務めた高橋悠也が起用された。また、キャラクターデザインの横堀久雄は、バイク王のCM「次元のバイク愛篇」を制作し好評を得たことが起用の理由となっている他、「テレコム・アニメーションフィルム内外のアニメーターから"制作に参加させて欲しい"という依頼が数多くあった」と浄園は語っている。オープニングでは大野雄二が再度編曲した「ルパン三世のテーマ」が使用されている。テレビシリーズで「ルパン三世のテーマ」が使用されるのはTV第2シリーズ以来35年振りである。また、劇中BGMには新曲の他に「斬鉄剣（石川五ェ門のテーマ）」、「スーパーヒーロー」、「黒い陰謀」、「ミステリアス・ジャーニー」、「サンバ・テンペラード」などTV第2シリーズのBGMのアレンジ版が使用され、演奏名義も第2シリーズの「You & Explosion Band」が復活している。その一方、長年アニメシリーズで選曲や音楽監督を務めてきた鈴木清司が本作では降板したほか、TV第2シリーズ以降恒例となっていたオープニングクレジットにおけるメインキャストの声優表示も本作では姿を消している。1995年のテレビスペシャルからルパンを演じる栗田貫一や2011年からの新キャストである山寺宏一、沢城みゆき、浪川大輔等にとっては、スピンオフではないテレビシリーズへの初出演作品となった。ルパンたちの年齢は20代後半 - 30代前半に設定され、イタリア・サンマリノが舞台となる。イタリアを舞台としたことから、ルパンのジャケットは「こじゃれた感じにしたい」「イタリア側から好評を得た」という理由で青がデザインされた。また、過去の3シリーズは一話完結で過去の話の内容が後の話に影響することはほとんどなかったが、本作はルパン一味と銭形警部以外にシリーズを通しての準レギュラーキャラクターが登場し、それぞれの回では後の話に繋がる伏線が張られてシリーズ全体のストーリー構成が構築されている。次回予告のナレーションは、基本的にルパンだけが行っていた従来のテレビシリーズとは異なり、メインキャラクターが交代で担当している。本作ではイタリアで先行放送の後に日本で放送するという、シリーズ初の放送展開が成される。当初、イタリアでは5月からイタリアRTI局で放送が開始される予定だったが、何度か時期変更され、最終的に8月30日からイタリア1で『Lupin III - L'avventura italiana』のタイトルで放送される。日本では10月2日（1日深夜）から、これまで通り日本テレビをはじめとした各局で放送されている。日本では全24話だがイタリアでは26話放送されており、未放映エピソード2話が存在する。BD/DVDの特典映像として、「ヴェニス・オブ・ザ・デッド」はVol.4、「ノンストップランデブー」はVol.8に収録。2016年12月13日からの日テレプラスでの帯放送にて12月15日と2017年1月11日にそれぞれ日本初の放送をされ、同局での以降の放送では組み込まれるようになった。2016年1月8日には、『金曜ロードSHOW!』枠で本作の第1話・第3話、「ノンストップランデブー」をベースに新作映像を追加したテレビスペシャル『ルパン三世 イタリアン・ゲーム』が放送された。2015年12月12日には有馬記念とのコラボレーションCMが発表された。オープニングアニメーションの冒頭部分から、ルパンたちが新たなお宝として有馬記念に着目するという新作アニメへつながる内容となっており、ルパン編、次元編、銭形編の3パターンが放送されている。本作終了の2年後となる2018年からは『ルパン三世 PART5』が放送を開始した。スタッフや衣装デザインは本作から引き継いでおり、本作の後日談的エピソードも制作されたほか、オリジナルキャラのレベッカもゲスト出演している。