本作は前作『海底大戦争 スティングレイ』と同様に「スーパーマリオネーション」と呼ばれる技法で撮影されている。この技法の最大の特徴は、事前に録音された台詞の録音テープの音声に連動して人形の唇を動かす電磁石でできた装置が、人形の頭部に内蔵されている点である[注 6]。この装置は唇を動かす装置や回路類を含め「リップ・シンクロ・システム」と呼ばれた。また、メインキャラクターには4種類の表情を持った顔[注 7]が用意され、場面ごとに人形の表情に変化をもたせている。さらに人形では表現しにくい「ボタンを押す手」「歩行時の脚」等の部分に関しては、実写映像が挿入された。
制作は操り人形を用いた特撮映画やテレビシリーズを多く制作していた、ジェリー・アンダーソン率いるAPフィルムズで、配給会社はインコーポレーテッド・テレビジョン・カンパニー（英語版）であった。
ジェリー・アンダーソンは、当初はCM込みの30分1話（25分尺）の作品を想定して制作が進められていた本作が1時間番組になった経緯を以下のように話している[6]。放送局であるATVのプロデューサーのルー・グレイドに完成した第1話を見せたところ、その完成度の高さに驚き、「これはテレビ番組じゃない、映画だ！ 映画なら1時間の尺にしないと」と判断。しかし、シルヴィア・アンダーソンは「これはテレビ番組じゃない、映画だ！」は『スペース1999』のときのことだとしている[注 8]。シルヴィアによれば1時間番組となった経緯は以下の通りである。『サンダーバード』製作初期の段階にルー・グレイドが、電話でペネロープが上流階級すぎる人物にならないか心配していると言ってきた。シルヴィアはそれを否定し、ルーも他の話を見ることでその心配はなくなったが、その時にシルヴィアが30分番組だと人物を掘り下げることが難しいと話し、冗談交じりに「1時間番組なら展開を早くできる」と言ったところグレイドから許可が出たというものである[8]。経緯がどちらのものであったにせよ、30分番組として作られていた9話分と既に脚本が書かれていたものに関しては追加撮影を行い、残りは最初から1時間番組として脚本が書かれた[9]。
50分尺になったことで制作費も増額され、1話あたり当時の価格で4万ポンド（約2000万円）となり、30分番組の予定を1時間枠に拡大した。放送開始と共に、全国紙で特集が組まれるほどの社会現象を引き起こし、子供番組史上まれに見る人気作品となった[10]。 人形劇でありながら、細部にまでこだわった造形や洗練されたデザインの模型、ロケット噴射や車両走行中の土ぼこりの描写など、リアリティを追求した特撮技術は、当時としては驚異的なクオリティであり、その後の特撮作品への多大な影響を及ぼした[11]。 登場人物のコスチュームも当時の最先端のモードを積極的に取り入れ、メインターゲットの男子児童だけではなく女子児童の関心もつかんだ。当時、番組に登場した人形をベースにしたファッション情報誌も制作されたほどである。 ストーリーは子供でも理解できる単純な筋書きであるが、「人命救助」というスリリングながら前向きで健全なイメージを徹底したことで、親世代からの反発もなかった。 バリー・グレイによる音楽は躍動感のあるオーケストラサウンドを基本に、長い映像でも飽きさせない多彩な曲が使用された[11]。また音楽が始まると台詞が止まるため、劇伴に多い人間の声を邪魔しない曲[11] ではなく、様々な帯域を使用できたことで楽曲単体でも完成度が高いとされる[11]。テーマ曲は運動会の入場行進にも使用される事がある。 これら全てが明確な世界観により、イギリスでは放送開始から大好評を博し、最後の6本は後から追加制作（第2シーズン）されることとなった。既に『キャプテン・スカーレット』が作られていたため、人形もその技術を使い、ギミックの一部が顔から胸に移されたので、プロポーションがやや改善されている。他にもセットが若干変更されているが、いずれも言われないとわからないほどの違いである。しかし、本作最大の目的だったアメリカ三大ネットワークへのセールスは失敗した。これは、1時間番組という枠が子供番組に不向きだった、グレイドがイギリスでの人気を背景に放送権料を吊り上げすぎたなど様々な説がある。メインキャラクターの1人がノブレス・オブリージュに基づいて行動するアメリカ人にもかかわらず今日でもアメリカでSF人形劇と言えば『宇宙船XL-5』が最も有名であり、『サンダーバード』の知名度は低い。なお、日本ではアメリカと異なり人気シリーズとなっており、強い影響を受けた樋口真嗣はメカに対する思い入れがあるイギリス人や日本人には合うが、アメリカの国民性に合わなかったのではないかと発言している[11]。
放送時・放送後
劇場版
サンダーバード 劇場版（Thunderbirds are Go）・1966年
本記事では区別のため「劇場版」と呼ぶ。
サンダーバード6号（Thunderbird 6）・1968年
本記事では「6号」と呼ぶ。「劇場版」「6号」はテレビシリーズの延長線上で発生した大事件の話で、基本設定も全く同じである。