2011年8月発表。2012年2月2日より3月まで、フジテレビ「ノイタミナ」枠およびニコニコチャンネルにて放送。全8話の構成は、通常１クール12話前後を基本単位とするTVシリーズとしては異色。OVA版を原作としたリメイク版に当たり、ストーリー上のつながりは無いが、基本設定は変更を加えしつつ受け継がれており、新たな登場人物を加えて物語を膨らませるとともに、世界観がより詳しく描写されている。現実世界の人物は主に通常のセルアニメ、裏世界の人物は３ＤＣＧで描かれ、異世界感を際立たせる演出として機能するとともに、限られた作画労力で細緻な造型のキャラクターの活劇を可能とした。
中学校へ進学した黒衣マトは、同じクラスになった小鳥遊ヨミと親しくなる。1年間を通じて友情を深めあった2人だったが、2年生になって違うクラスに分かれ、マトに友人が増え始めた頃から、2人は少しずつすれ違うようになっていく。ある日、ヨミが学校を欠席していることを気にかけたマトはメールや電話をしてみるが、一向に通じない。落ち込むマトの携帯に一通のメールが入るが、それはヨミからではなく母からのものだった。「小鳥遊さんが行方不明になり、警察が事情を聞きに来ている。すぐ帰ってきなさい」と。同じ頃。この世界とは違うどこかの世界で、左目に青い炎を灯し、大型の砲を左腕に装着した謎の少女が、何者かと戦いを繰り広げていた。
AG-ONEなどによるコンテンツ企画プロジェクト「SEED PROJECT」の第1作として製作、2010年に公開予定とし、これに先立つ形で2009年9月30日にパイロット版を収録したDVD・Blu-ray Discと新規音源を収録したCDによるパッケージソフト『BLACK★ROCK SHOOTER -PILOT Edition-』が発売された。2010年3月24日には50分のOVAとしてリリースされることが発表された。提供の形は7月24日から期間限定で本編全てが収録されたDVDを雑誌付録にするのを始め、店頭・イベント等でのDVDの無料配布、ネット上での全編動画配信、上映会の実施など、様々な形態で無料公開を行った。こうした無料展開によってフィギュアなどの関連商品の売り上げに繋げるほか、パッケージソフトとして特典を付加したBlu-ray版とBlu-ray&DVD特装版も2010年12月17日に発売された。なお、本編の配布の開始は当初6月25日発売の「月刊ホビージャパン8月号」からと発表されていたが、「制作上の都合」から7月24日発売の9月号へ変更された。なお、雑誌の付録はホビージャパン以外に、メガミマガジンとアニメディアにも付いたほか、ブラック★ロックシューター関連のフィギュア製品にも同梱されていた。また、2011年5月2日には日テレプラスにてテレビ放送された。パッケージ版には本編の他に、hukeによるジャケットイラストの作画の模様を収録した映像、ブラック★ロックシューターのパペットを用いて『ナイトメアー・ビフォア・クリスマス』『コララインとボタンの魔女』を手がけたスタッフによって制作、リンキン・パークのジョー・ハーンが音楽を担当した、ストップモーションムービーとそのメイキング映像、制作発表会で使われた物やトレーラーなどの各種PV集が収録されている。
東京でサラリーマン生活を行っていた佐々木嘉弘は、1984年（昭和59年）に脱サラして妻の故郷である土浦市に2坪の古書店「れんが堂書店」を開業した。当時の土浦駅前は多くの学校が集まる学生街を形成していたため、学生の好みそうな漫画本や文庫本を扱う店として営業を始めた。学生数が多く経営は軌道に乗り、数年で2階建ての店舗に拡張、面積は10坪になった。その後、土浦駅前に商業施設「ウララ」が完成すると約30坪の2号店をウララに出店した。2011年（平成23年）の東日本大震災で本店（初代店舗）が被災したため、経営の中心軸を2号店に移した。しかし核店舗であったイトーヨーカドーの撤退に伴い、2012年（平成24年）にウララからの退店を余儀なくされた。これを機に10年来構想を温めてきた大型古書店を開業しようと思い立った。これは少子化に伴う顧客数の減少や中心市街地の衰退、インターネットの台頭による古書相場の値崩れといった古書店業界をめぐる経営環境の変化に対して「昔と同じやり方でやっててもやっていけない」と判断した。店舗を広くすることで「入りにくい」という既成概念を払い、「雑本」と呼ばれる多様なジャンルの本を扱うことで、古書店の初心者をはじめとした色々な人に来店してもらうことを意図したのである。佐々木は知人である同業者30軒に出店を打診、22軒が出店を受諾し、空き店舗となっていたパチンコ店を改装して2013年（平成25年）3月31日に「つちうら古書倶楽部」を開業した。開業当日は事前にマスメディアで紹介されていたこともあり、多くの古書ファンが来店し、見知らぬ人から激励の電話もあったという。2015年（平成27年）3月18日、店内でまちづくりなどを自由に語り合う「まちかど茶話会」が開かれた。この中で店舗の現状について、当初いた若者や家族連れといった客層が絶えたため売り上げが減少し、東京都内の古本市への出店やインターネット通販の併用で経営を維持していることが代表の佐々木から語られた。2017年（平成29年）12月、テレビ朝日の紀行番組『じゅん散歩』のロケで高田純次が、つちうら古書倶楽部に立ち寄った。高田は店内で自著を発見し、サインを寄せた。