La série a été réalisé par Mamoru Kanbe et produit par les studios GENCO et VAP. Elle contient treize épisodes dont les onze premiers couvrent assez fidèlement les soixante premiers chapitres du manga, c'est-à-dire jusqu'au volume 6 inclus. Les deux derniers épisodes quant à eux dérivent significativement de celui-ci, pour offrir une conclusion à l'anime. L'auteur de la série, Lynn Okamoto, fait une brève apparition dans l'épisode 12.
Elfen Lied fut pour la première fois diffusé sur la chaine satellite de TV Tokyo, AT-X, du 25 juillet au 17 octobre 2004 et a été rediffusé en 2005 à cause de son succès. Le 21 avril 2005, un OAV de 24 minutes est également sorti au Japon. Il s'intercale dans l'histoire entre l'épisode 10 et 11 et possède une durée égale à celle d'un épisode normal (environ 25 minutes) ce qui amènent certains à lui préférer le nom d'épisode 10.5 ou alors même d'épisode 14. Cet OAV, au ton plus léger, ne fait pas avancer l'histoire mais apporte des éléments sur des personnages secondaires.