1991年の『第2次スーパーロボット大戦』の開発時、開発陣は『聖戦士ダンバイン』を登場させたかったが諸事情により断念し、代わりにオリジナル作品を企画することになった。そこで候補としてバンプレストオリジナル企画の「魔装機神サイバスター」・「武装機甲士グランゾン」・「次元烈風狩狼哉（じげんれっぷう・しゅろうや）」の3作品が挙がり、「聖戦士ダンバイン」にイメージが近い「魔装機神サイバスター」が採用となった。「武装機甲士グランゾン」はさらに候補として挙がっていた「機甲魔界サイバスターvs魔装機甲士グラジオン」のグラジオンと設定を統合し、サイバスターのライバルキャラクターとして同じ作品にまとめられた。ファミコン版『第2次スーパーロボット大戦』の説明書で「魔装機神サイバスター」・「武装機甲士グランゾン」と別作品のように記載されるのはこの名残である。なお、「武装機甲士グランゾン」は主人公のシュウが異星人と戦うダークヒーロー的な作品で、グランゾンや南極事件の設定などが引き継がれた。一方「次元烈風狩狼哉」は、「サイバスターとグランゾンの対決を止められるのは、次元を越える能力を持つ狩狼哉だけ」という作品だったが、設定の複雑さやオリジナル作品が多くなることから完全な没企画となった。その後、本作は『第2次スーパーロボット大戦』の続編である1993年の『第3次スーパーロボット大戦』、1994年の『スーパーロボット大戦EX』と順当に登場。本作のキャラクターが主人公となる『スーパーロボット大戦EX』では、前述の『聖戦士ダンバイン』の登場やオカルト色の強い『勇者ライディーン』が前作の『第3次スーパーロボット大戦』で登場済みだったことから、本作にもオカルト要素を入れることが決まり地球空洞説を採用して地底世界ラ・ギアスの世界観が構築された。さらにDC戦争シリーズ最終作となる1995年の『第4次スーパーロボット大戦』に登場後、DC戦争シリーズの前日談・後日談にあたるストーリーがスピンオフとして1996年に『スーパーロボット大戦外伝 魔装機神 THE LORD OF ELEMENTAL』のタイトルで単独ゲーム化され、本作のストーリーの全容が明らかとなる。
日本では伊藤忠商事との合弁によって設立された衛星一般放送事業者のジャパン・エンターテイメント・ネットワーク（2013年4月1日より、ターナージャパン株式会社に社名変更）により運営が行われている（2011年現在ターナーの100%出資）。1997年9月1日より、パーフェクTV!（現・スカパー!プレミアムサービス（標準画質））とディレクTV、J:COM系ケーブルテレビ局の一部にて放送を開始。2002年7月には、スカパー!2（現・スカパー!（東経110度CS放送））（衛星基幹放送事業者はスカパー・エンターテイメント）、2009年10月にはスカパー!HD（現・スカパー!プレミアムサービス）（ハイビジョン放送の衛星一般放送事業者はスカパー・ブロードキャスティング → スカパー・エンターテイメント）でも放送を開始した。このほかJCNなど他事業者系列のCATVやひかりTVなどのIP放送でも視聴可能である。開局当時にアニメを放送するチャンネルとしてキッズステーション、ファミリー劇場、LET'S TRY、チャンネルNECOなどが既に存在したが、いずれもテレビドラマや時代劇、幼児向け教育番組などとの混合編成をとっていたため、24時間アニメのみを専門に放送するチャンネルはカートゥーンネットワークが初めてであった。初期（日本放映以前の短編シリーズ）のトムとジェリーやルーニー・テューンズのようなセリフを必要としない、いわゆる無声映画作品や、日本制作作品を除き原則として吹き替え2か国語放送が行われており、カートゥーンネットワークジャパンでは英語教育教材としてのチャンネル契約も見込んでいる。2001年には米カートゥーン ネットワーク・スタジオ（旧・ハンナ・バーベラ・プロダクション）制作の新作アニメであるパワーパフガールズを、日本の地上波TVアニメ番組として供給（テレビ東京、NASと共同制作）を行い、自局外での番組制作に進出。2006年1月1日午前0時00分より、ロゴデザインの変更（後述）や公式サイトなどステーションフォーマットの大規模なリニューアルを行った。また、2009年7月より横浜・八景島シーパラダイスとタイアップを実施し、同施設のアトラクションにカートゥーン ネットワークで放送されている海外アニメキャラクターが描かれたり、同局のモバイルサイトなどと連携した懸賞企画などが実施される（2011年7月中旬で終了）など、日本法人独自の運営が行われている。2011年10月1日からは、アメリカ本国と同じロゴマークに変更し公式サイトもリニューアルし、初代ロゴが6年ぶりに復活した。リニューアルに先立ち、スカパー!、スカパー!e2等で宣伝するチャンネルプロモでは新ロゴでラインナップを紹介中。また、スカパー!HDも1日からひかりTVと同じ「カートゥーン ネットワークHD」に名称を変更。2012年6月18日にスカパー!e2（現・スカパー!）にて、16:9の画角情報を付加し、フルサイズのSD放送を開始した。2014年4月1日にJ:COMにて、ハイビジョン放送を開始した。2014年5月31日 - スカパー!プレミアムサービス（標準画質）にてSD放送を終了したが、スカパー!（東経110度CS放送）のSD放送は引き続き継続放送されている。2014年12月1日にJ:COMのケーブル多チャンネルサービス「J:COM TV スタンダード」加入者向けに、見放題VOD（ビデオオンデマンド）パック「カートゥーン ネットワーク オンデマンド」を提供開始され、同年12月にカートゥーン ネットワークのプレスリリースが廃止された。2015年6月1日にチャンネル名称が「カートゥーン ネットワーク」から「海外アニメ！カートゥーン ネットワーク」に変更された。2016年4月1日に小規模なリニューアルが行われた。2016年11月1日午後2時00分より、J:COMオンデマンドによる「海外アニメ！カートゥーン ネットワーク HD」は、J:COM TV スタンダードプラス/スタンダードにご加入のお客さま向けに追加料金なしでご視聴をいただける「チャンネル！オンデマンド」の提供を開始した。2016年12月1日、スカパー!プレミアムサービスの衛星一般放送事業者が、「スカパー・ブロードキャスティング」からスカパー!の衛星基幹放送事業者と同じ「スカパー・エンターテイメント」に変更。2017年4月1日に小規模なリニューアルが行われた。2017年9月1日、日本進出20周年。2018年8月28日にスカパー!の多チャンネルによるHD化に伴い、物理チャンネル変更（ND22→ND6、12.961GHz→12.371GHz）。画質は標準画質のまま。