海城中学校・高等学校、保善高等学校の校舎を通過しながらほぼ直線状に進むと、JR山手線、東京メトロ東西線との乗換駅であり、この区間を通る全旅客営業列車が停車する高田馬場駅に到着する。
野方駅を出るとほどなく都立家政駅に着く。同駅で進路を西に変える。
鷺ノ宮駅を出ると、その西側の踏切で中杉通りと平面交差する。その先で少し右にカーブした後は、多少のアップダウンこそあれど、比較的線形が良くなる。かつて存在した西鷺宮駅の跡地を通りすぎると、下井草駅に着く。
井荻駅を出るとすぐに環八通りと立体交差するが、電車から見える高架橋以外に地下トンネル（井荻トンネル）でも交差している。その後中線が合流し、ほどなく上井草駅に着く。
同駅のホームや階段は狭隘で、ホーム端はすぐ踏切となる。なお、同駅付近で東京外環自動車道が交差する計画である。
この区間では勾配は多いが、線形はさらに良くなる。上石神井駅を出るとほどなく下り勾配が始まり、武蔵関駅に着く。
西武柳沢駅を出ると、数少ない高架区間となっており、第二次世界大戦中に中島飛行機武蔵野製作所への陸軍鉄道連隊が作った専用線のガードを越えて青梅街道と武蔵境通りのバイパスを乗り越す。再び地上に戻り武蔵境通りと平面交差すると田無駅に到着する。
小平駅を出てしばらく拝島線と併走するが、その後拝島線は左に曲がって分かれていく。右手に小平霊園を見ながら進んでいくと久米川駅に着く。同駅は分岐駅に挟まれていることもあり、駅として地味な存在ではあるが、それとは裏腹に駅周辺には都市銀行の支店やスーパーが充実している。
東村山駅を出ると、西武園線としばらく併走する。やがて西武園線が左にそれ、住宅街ながらも緑の多い一帯を北に進む。盛土を走るようになると視界が開け、左に低い山並みを見ることができる。ここは八国山緑地と呼ばれ、映画『となりのトトロ』のモデルとなった場所でもある。埼玉県に入ってすぐ左に国際航空専門学校があり、小型航空機やヘリコプターを見ることができる。盛土が終わると所沢街道の秋津橋と、さらに池袋線が頭上で立体交差し、複雑な分岐器を通って、池袋線と接続し、特急「小江戸」も停車する、所沢駅に到着する。かつては駅手前の踏切の先で西武所沢車両工場へ引き込み線が分岐していた。