跨过JR线群，经过涩谷一号平交道到达代官山站。穿过涩谷隧道后进入目黑区，日比谷线在上下行线之间穿出。以高架线渡过目黑川后，随即到达高架岛式两面四线的中目黑站。月台正位于山手大道（都道317号）之上。所有日比谷线列车以本站佑天寺方向三条的日比谷线专用折返线折返。2013年3月15日以前，东横线与日比谷线以直通运行方式运转，东武伊势崎线直通日比谷线列车以及日比谷线内列车在此折返，而东横线的日比谷线直通列车则从本站开始进入日比谷线。此外，东武直通日比谷线专用的因讯号问题不能进入东横线内，因此不与东横线进行直通