2008年4月2日から2011年3月30日までテレビ東京系列の水曜18:00-18:30に放送された。全154話。アニメ作品『遊☆戯☆王デュエルモンスターズ』から続く『遊☆戯☆王』のテレビ東京系アニメシリーズの3作目。世界観は前作『遊☆戯☆王デュエルモンスターズGX』から数十年後という設定になっている。本作よりハイビジョン制作に移行。

本作のテーマは『絆』と『未来』

ナスカの地上絵などの南米神話を元に未来人等が深く絡んでいる。前作「GX」と比べると格差社会といった背景があるため、デュエルをしない回があるという程ストーリー重視となっている。

一方GXでは後半以降、長期にわたって暗い雰囲気の中でデュエルが繰り返されるという展開が続いたことを反省してか、度々デュエルの大会が軸として描かれ、裏で世界の命運をかけた戦いが繰り広げられながらも実況のMCがデュエルを明るく楽しく盛り上げていく。

メインタイトルからは過去2作につけられていた『デュエルモンスターズ』が外れ、『遊☆戯☆王』のタイトルロゴも新たなデザインに変更。OCGのタイトルも本作から「ARC-V」まではアニメと同タイトルになっている。

今作ではDホイールと呼ばれるバイク型デュエルディスクを使用したライディングデュエルが登場。もちろん、Dホイールを用いない通常のデュエル（作中ではスタンディングデュエルと称される）も行われている。また新たな召喚方法であるシンクロ召喚と、それによって召喚されるシンクロモンスターも登場する。

第1部のダークシグナー編は元々原作者である高橋和希が遊戯王以前に読みきり漫画で構想していた「燃え盛るナスカの地上絵にそびえる巨大な敵、それに立ち向かう5人の戦士がバイクに乗りながら戦う」というストーリーが原案となっている。上記のシンクロ召喚やDホイールというアイデアも高橋氏が考え出したものである。第2部のWRGP編以降はアニメスタッフが独自にストーリーをまとめている。高橋氏は「終盤の盛り上がりには感心した」と評している。

高橋自身前作「GX」で遊戯王を締めくくるつもりでいたが、遊戯王というメディアミックスが高橋氏の範疇を超えた展開をしていたことを理由に「アニメ遊戯王に関わるのはこれで最後にする」つもりで制作に関わったとのこと。

本作以降は「ZEXAL」の一部キャラクターデザイン、劇場版「THE_DARKSIDE_OF_DIMENSIONS」にしか携わっていない。

あらすじ

武藤遊戯達がいた時代から数十年後。

童実野町は近未来都市「ネオドミノシティ」として発展していた。

最上層が暮らす「トップス」や市民の多くが住む「シティ」は華やかな一方、

貧民層や前科者が送られる「サテライト」が海を隔てて存在しており、こちらでは格差社会が展開されていた。

主人公・不動遊星は仲間とともにサテライトで暮らしていたが、「拾ったカード」によるデッキと廃材でくみ上げたD・ホイールを携え、かつて自身を裏切った仲間であり、デュエルキングであるジャック・アトラスのいるシティへの進出を試みる。ジャックとの再会後、突如として現れた謎の痣と赤い竜。遊星は痣を持つ「シグナー」と呼ばれるもの達を初めとして、新しい仲間に出会い、様々な戦いに巻き込まれて行く。