2008年10月から2009年3月にテレビ神奈川 (tvk) にてテレビアニメを放送。全26話。毎週、地上波放送直後にはニコニコ動画の公式アニメチャンネルにて無料配信された。2009年2月6日から2月27日には、『ファイト!川崎フロンターレ』の中で川崎フロンターレとのコラボアニメーション『KAWASAKI Frontale×天体戦士サンレッド』が放送された。OPアニメは7話から大幅に動画が追加されており、さらに14話からクレジット表記が光弾状に現れて煙状に消えるという演出が加えられ、25話では効果音が追加されている。最後のシーンでサンレッドがレッドバロスグループに売却したと思われるバイクの値札が表示されるが、この価格表示も毎回異なるという演出がされている。なお、23話にてアントキラーと思わしきシルエットが確認できる。2009年1月からtvkにて1度目の再放送（土曜朝10時00分から）を開始したのを皮切りに、数回程再放送が行われている。2010年2月8日から5月6日にかけては4度目の再放送が行われた。2009年9月より、バンダイチャンネルとモバイルアニメイト.chにて毎週金曜日に1話ずつの無料配信開始。配信終了分は有料配信で視聴可能。
2008年にテレビアニメ化。本作品は地上波がテレビ神奈川 (tvk) のみの単独放送だが、放送後にニコニコ動画にて1週間限定で無料配信するという特殊な放送スタイルを採っている。過去放送分はニコニコアニメチャンネル内『天体戦士サンレッドちゃんねる』にて有料で配信されている。ただし、FIGHT.01とFIGHT.27は常時無料で視聴可能。2009年にはネット配信を増量し、バンダイチャンネルとモバイルアニメイト.chでもニコニコ動画とほとんど同じ条件で視聴可能となった。2010年にはBSフジでの放送も開始された。また、収録方式はプレスコ方式を採用している。これは監督を務めた岸誠二の「原作の雰囲気を大事にしたい」という思いと、「日常会話を再現したい」という音響へのこだわりからである。声優らのアドリブや作画段階でのお遊び的要素もある。
上記同様空きページに掲載されている、ヴァンプ将軍による一人暮らしにも便利な簡単クッキングを紹介（失敗作も紹介されることもある）するコーナー。下部には試食する怪人にツッコミを入れるサンレッド（時折、ヴァンプに皮肉や文句を言う場合もある）が書き下ろされている。また、作中では「ヴァンプ将軍のさっと一品mini」（2巻）、「ベルムスのささっと一品」（4巻）などの派生コーナーも存在する。
1954年10月14日に公式試運転が行なわれた後、東横線で10月16日に運用を開始した。5000系の3両編成が4本に達した後の1955年4月1日のダイヤ改正より、東横線に渋谷と桜木町を34分で結ぶ急行の運転が再開された。当初は日中のみの運転で、急行が終日運行されるようになったのは同年10月1日からである。1957年5月から、順次デハ5100形を組み込み4両編成化された。1958年12月からはラジオ関東（当時）の放送を、誘導無線により受信した上で車内に流す試みを開始した。この放送は1964年に取り止めとなり、誘導無線は業務用無線に転用された。1959年にはクハ5150形が登場し、デハ5000形に5050号が登場することによってサハ5050形はサハ5350形へ改番された。最終増備車両は1959年10月に入線したデハ5120で、5000系は合計105両となり、最長で6両編成を組んで運用された。1970年に田園都市線から東横線に転属した7000系が急行に使用されるようになったため一部が田園都市線に転属した。1977年（昭和52年）より長野電鉄への譲渡が開始され、その後1980年（昭和55年）には福島交通への譲渡など徐々に保有数は減少した。東急線では、1979年8月の田園都市線・新玉川線（当時）と大井町線との運転系統分離時に、大規模な車両の転配が行われた 。この時点で田園都市線・新玉川線は8500系に統一され、5000系は5両編成15本が大井町線に配置された。一方、東横線用は5000系が4両 + 2両、5200系4両 + 5000系 2両のわずか12両だけの配置となっていた。翌1980年、8000系列の増備に伴って新玉川線用から東横線に8033F・8035Fの5両編成2本が復帰したことで 、同年3月29日をもって東横線における26年の活躍に終止符を打った。大井町線では前述の1979年8月時点で全23編成中5000系が15編成と主力車両となっていたが、翌年以降東横線への8000系や8090系の増備に伴い、捻出された初代7000系などに置き換えられる形で1985年3月中に運用を終了した。 大井町線では5両全車電動車編成を組んだこともある。目蒲線では東横線の運用終了後に配属が始まり、1980年4月15日より3両編成2本が運転を開始している。編成は登場時と同じMTMを中心にオールM3連も存在した。その後、目蒲線には最大3両編成9本が配置されていたが、1986年3月から5月にかけて大井町線から多数の7200系が転入したことで 、同年6月18日をもって、3000系よりも先に営業運転を終了した。同時に東急線から5000系は姿を消した。最後まで残っていた5047-5354-5050の3両編成1本は最後の1週間ほどの期間、5047号車に引退記念ヘッドマークを装着していた。なお、池上線では、全長が18.5mの本系列は入線できなかった（5200系は入線実績あり）。