2005年7月からWOWOWにて放送された。全13話、R-15指定相当。WOWOWノンスクランブルアニメ初の5.1chサラウンド・ステレオ放送。DVDは第1話放映開始一週間前に放映された特別番組「フルメタル・パニック! TSR〜ライトノベルの夜明け〜」を収録した全7巻である。
放映の約一年前にプレDVDとして「Scene00」が月刊ドラゴンマガジン等で誌上販売された（後に一般にも販売される）。
本編DVDに関して、初回限定版の収録音声はドルビーデジタルの5.1ch及びステレオ2.0chさらにコメンタリーが収録されているが、通常版についてはステレオ2.0chのみとなっている。 またDVDの初回限定版にはUMDが付属する。UMDにはDVD収録話と同じ本編が収録され、音声はステレオ2.0chのみ収録。DVDのジャケット画は初回限定版と通常版で異なる画だが、UMDのジャケットには通常版の画が採用されている。
DVD-BOXは、OVA発売後1年後経過した2007年7月27日に発売され、DVD-BOXにおけるDVDの内容は初回限定版と仕様が同等の本編の収録音声がドルビーデジタル5.1chであり、映像・音声特典も収録されている。
2008年9月26日に特別版OVA、「Scene00」、「～ライトノベルの夜明け」、映像特典「香港ロケ映像」も収録されたBlu-ray Disc BOXが発売された。ドルビーTrueHDを使用し5.1chマルチチャンネル音声が、リニアPCMではステレオ音声が収録されている。また、DVD同様コメンタリーも収録されている。
TSRは長編の『終わるデイ・バイ・デイ』をアニメ化したものだが、第1話から第4話は、原作には無いエピソードとなっている。
前作とは違い、主な舞台は「学園」ではなく「軍」。シリアスでハードなストーリーが展開された、少しグロテスクな描写がみられるので、R-15指定された。
2007年7月31日から10月23日までAT-Xでも放送された。特別版OVAも翌週の10月30日に放送されている。WOWOWでは前述の通りR-15指定での放送だったが、AT-Xでの放送においては視聴年齢制限はかけられなかった。
2008年6月下旬から同年9月にかけて、1期に引き続きUHF局（放送局は1期を放送した局と同じ）で放送された。地上波版では規制シーンは濃いシャドウをかけるなどして修正されている。また、同年9月からはBSデジタル局で放送されている。
第13話のラストシーンが、シリーズ構成も務めた賀東招二のこだわりによる構成となったため、第13話（最終話）は放送時間が延長され放送された。UHFで放送された再放送時には、通常のテレビサイズでの放送となったため、BGMの一部変更や、相良宗介とテレサ・テスタロッサの会話以降の部分がカットされて放送された。
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2003年8月からフジテレビで放送された。放送回数は全11回だが、前後半で異なるサブタイトルがつくものを各1話と数えると合計15話になる。DVDは全6巻発売（17回）、2007年6月22日にDVDBOXが発売された。また、CSのフジテレビ721やAT-Xでも放送されていた。2008年10月から『フルメタル・パニック! The Second Raid』に引き続き、UHF局で放送されている。
原作の短編のみをアニメ化。そのためシリアス要素はほとんどない。第一話の次回予告において、かなめは「学園ラブコメ」と表現している。本編が現実の政治、世界情勢を織り込んだシリアス調なだけに、180度違った趣向・演出がなされており、かえって笑いが引き立つ。一部の回では放送時間30分のうち、前後半15分でタイトル名が異なる。アニメーション制作は京都アニメーションが担当している。また、第6話「暗闇のペイシェント」では、主題歌を歌う下川みくにが声優として出演している。
いかなる国家にも属さない、軍事による平和維持活動を主とする対テロ極秘傭兵組織ミスリル。軍事的な緊張状態にある紛争地帯などに出没し、テロリストや独裁政権に対し、強襲揚陸潜水艦「トゥアハー・デ・ダナン」や、最新鋭の「アーム・スレイブ」などを送り込み、これを殲滅している秘密組織である。
ミスリルの特別対応班に所属するエージェント相良宗介は、都立陣代高校に生徒として潜入し、仲間と共に千鳥かなめを秘密裏にボディーガードするという特殊任務を与えられる。幼少時からゲリラや傭兵として激戦地を渡り歩いてきた宗介は、平和な日常での常識が皆無で日本の生活に全く馴染めず、ひたすら失敗を繰り返す。初めは軍事オタク扱いされて避けられていた宗介だったが、二人は次第に打ち解けていく。
そんな中、ミスリルに敵対するテロ支援組織アマルガムの幹部で、宗介のかつての仇敵ガウルンが、修学旅行中のかなめを拉致すべく、学年全員を巻き込んでハイジャックを決行する。なぜ、かなめが狙われるのかさえ分からない絶望的な状況下で、援軍の到着を待つ宗介は、ひとり決死の反撃を開始する。
享楽的に戦闘を楽しむガウルンの駆る、謎の特殊兵器を持つアームスレイブとの戦闘により負傷した宗介らは、かなめを連れて逃亡するが、次第に敵の包囲網は狭まっていく。絶体絶命の窮地に陥ったその時、ダナンからの緊急展開ブースターにより射出された、新型アーム・スレイブ「アーバレスト」がその姿を現すのであった。
