2019年E3遊戲展上，微軟Xbox部門負責人菲爾·斯賓塞公布了代號Project Scarlett的第四代家用電子遊戲機。微軟預計這款產品會在2020年年末的假期發售，與遊戲《光環：無限》一同上市。微軟宣稱這款遊戲機採用定製設計的AMD Zen 2和RNDA微架構處理器，其性能是Xbox One X的4倍，並使用固態硬碟（SSD）以大幅度縮減遊戲的載入時間。微軟還表示產品將提供8K解析度或120幀每秒的遊戲體驗，並支持光線追蹤、可變速率著色（VRS）以及前代遊戲兼容。
2019年E3遊戲展發布會現場
2019年The Game Awards頒獎典禮上，菲爾·斯賓塞宣布這款遊戲機的正式名稱為Xbox Series X，並公布了產品以及所搭配的新Xbox Wireless Controller手柄正式外觀。產品機身採用長方體設計，支持垂直和水平擺放，頂部是中央凹陷的散熱圓孔。新手柄較上一代添加了“分享”按鍵，且引入了Xbox Elite Wireless Controller Series 2手柄的改進版十字鍵。新手柄還兼容Windows 10 PC及Xbox One遊戲機。微軟表示產品通過利用自動低延遲模式（ALLM）等技術的動態延遲輸入（DLI）功能減少延遲，並為雲遊戲體驗在硬體和軟體中內置了獨特的功能。活動上還展示了《Senua’s Saga: Hellblade II》的實機運行畫面。
2020年2月24日，微軟宣布產品的單精度浮點數運算速度能夠達到12 TFLOPS，並支持快速繼續遊戲功能。微軟還確認了產品兼容之前三代Xbox平台上發行的遊戲。2020年3月16日，微軟通過新聞稿公布了Xbox Series X的詳細規格參數。同日，微軟還介紹了新手柄和降低延遲的技術細節。開發團隊邀請YouTube視頻創作者Austin Evans和科技媒體Eurogamer的Digital Foundry欄目公開了遊戲機的內部構造和散熱設計，並進行了實機體驗。The Coalition工作室還展示了採用虛幻4引擎的《戰爭機器5》實機遊戲畫面，並宣布將在產品發售時通過Smart Delivery免費更新為Xbox Series X最佳化的版本。2020年3月18日，產品的主要競爭對手索尼PlayStation 5公布了技術細節和規格參數。對比Xbox Series X，索尼PlayStation 5提供了較弱的CPU和GPU性能以及更快的存儲性能。
2020年5月5日，微軟宣布舉行Xbox 20/20活動，將通過每月的Inside Xbox節目展示新主機和遊戲。5月7日，微軟在當月的Inside Xbox活動中展示了包括《刺客信條：英靈殿》在內的13款將登入Xbox Series X的遊戲，並在活動前首次展示了“Xbox Series X最佳化”（“Series X Optimised”）標識。由於活動缺乏實機遊戲視頻展示，Xbox市場主管Aaron Greenberg隨後為部分冬粉的失望致歉。發布會後，育碧透露遊戲《刺客信條：英靈殿》將在Xbox Series X上以“至少30幀每秒”運行，並未達到微軟宣稱的60幀每秒的性能目標，微軟隨後澄清遊戲由開發者決定如何利用機器的性能。5月13日，Epic Games公布了虛幻5（Unreal Engine 5）遊戲引擎，新技術支持包括Xbox Series X的下一代主機，新引擎獲得了Xbox部門負責人菲爾·斯賓塞的稱讚。5月28日，Xbox Wire介紹了新主機將可以兼容進度、成就、好友以及配件。競爭產品索尼PlayStation 5於6月11日公布了遊戲和機器外觀，並宣布將提供沒有光碟驅動器的PlayStation 5數字版。6月15日，Xbox Wire公布了購買一次即可在新舊兩代主機上遊玩的智慧型分發（Smart Delivery）功能。6月25日，Xbox Wire介紹了支持“為Xbox Series X最佳化”標籤，並給出了支持的遊戲列表。7月14日，Xbox Wire介紹了包括SSD，硬體解壓縮，DirectStorage API在內的Xbox Velocity Architecture。微軟隨後還確認新主機不再支持Kinect遊戲。
7月24日，微軟舉辦Xbox Games Showcase活動，展示了包括《光環：無限》、《腐爛國度3》、《Forza Motorsport》在內的眾多遊戲。其中，受玩家期待的《光環：無限》由於畫面真實度和製作完成度飽受爭議，並於8月宣布推遲至2021年發售。8月11日，微軟宣布Xbox Series X將於11月發售。17日，微軟參加Hot Chips 32學術討論時介紹了新主機的系統架構。在眾多關於低配置版Xbox的信息泄露後，微軟於9月8日公布了售價299美元的Xbox Series S，並在隨後一天公布Xbox Series X售價499美元，11月10日發售。Xbox Series X的預購於9月22日開始。
包裝外觀
10月末，鑒於早前Xbox Series X被調侃外形酷似電冰櫃，微軟製作了三台Xbox Series X外形的電冰櫃，分別送給YouTube視頻創作者iJustine、說唱歌手Snoop Dogg以及一名推特中獎用戶。10月28日，AMD發布了RDNA 2架構的RX 6000系列顯示卡，微軟表示Xbox Series X|S將是僅有的能夠完全支持RDNA 2硬體能力的次世代遊戲機。
2022年10月11日訊息，為慶祝《恥辱》系列遊戲推出 10 周年，微軟和貝塞斯達宣布將贈送一款定製的 Xbox Series X 遊戲機。
2023年6月9日，微軟在 Summer Game Fest 夏日遊戲節發布了與跑車製造商保時捷合作的限量版主機與手柄。
主要特性
主機
Xbox Series X擁有以下新功能特性
主機外觀
可變速率著色（VRS）
Xbox Series X正在使用“VRS的專利形式，使開發人員能夠更有效地利用Xbox Series X的全部功能”。與其將GPU周期均勻地花費在螢幕上每個像素上，不如將GPU對特定遊戲角色或重要環境對象的各個效果進行優先排序。此技術可實現更穩定的幀速率和更高的解析度，而不會影響最終圖像質量。
Xbox已與HDMI論壇和電視製造商合作，通過自動低延遲模式（ALLM）和可變刷新率（VRR）等功能實現最佳遊戲體驗。ALLM允許Xbox One和Xbox Series X自動將連線的顯示器設定為最低延遲模式。VRR將顯示器的刷新率與遊戲的幀率同步，從而保持流暢的視覺效果而不會撕裂。確保最小的延遲和最及時的遊戲體驗。
120 fps支持
Xbox Series X支持高達120 fps幀率，使開發人員可以超過標準的60 fps輸出，從而支持增強的真實感或快節奏的動作。
智慧型分配
這項技術使你能夠一次購買一款遊戲，並且明白無論你是在Xbox One還是Xbox Series X上玩遊戲-不論你使用哪種Xbox，都可以得到該遊戲的正確版本。Xbox承諾在所有獨家Xbox Game Studios遊戲作品（包括Halo Infinite）上使用Smart Delivery，以確保你只需要購買一次，即可為他們選擇在任何Xbox主機暢玩最佳的可用版本。這項技術適用於所有開發人員和發行商，他們可以選擇將其先用於Xbox One上發行，然後再在Xbox Series X上發行推廣。
手柄
手柄較上一代添加了“分享”按鍵，且引入了“Xbox Elite Wireless Controller Series 2”手柄的改進版十字鍵。
