大井町駅から城南地域を横断して、旗の台駅、大岡山駅、自由が丘駅、二子玉川駅を経て溝の口駅へ向かう路線である。各経由駅は南北放射状に伸びる東急の池上線、目黒線、東横線、田園都市線との乗換駅である。
一時期は田園都市線に編入されていたことがある（#歴史を参照）。
一部列車で、田園都市線鷺沼・長津田・中央林間方面との直通運転を実施している。
沿線風景.
大井町線は、品川・大田・目黒・世田谷・川崎の各区市の住宅密集地を走っている。また、東横線と接続する自由が丘や田園都市線と接続する二子玉川駅周辺は「住みたい街ランキング」の上位にランクインすることもある。
改良工事.
東急大井町線改良・田園都市線複々線化.
経過.
当初は、上記の事業名称にもある通り大井町線内の改良区間は大岡山から二子玉川までで、急行運転も同区間のみとされた。また、急行待避設備は等々力駅に上り（大井町方面行）、尾山台駅に下り（溝の口方面行）に急行通過線を上下線別々に設置し、同時に両駅を地下化する計画であった。
等々力駅周辺での反対運動.
戸越公園駅付近連続立体交差化.
運行形態.
日中の運行本数.
日中1時間あたりの運転本数は以下のようになっている。
列車種別.
急行.
途中停車駅は他の東急各線との連絡駅のみである。
上下とも旗の台駅で各駅停車に接続するほか、上りのみ平日朝夕ラッシュ時には上野毛駅で各駅停車を追い抜く。田園都市線直通列車はこれに加え二子玉川駅・鷺沼駅・長津田駅で田園都市線の各駅停車に接続する（朝夜間は一部接続・追い抜き駅が異なる列車もある）。また、日中の急行は、二子玉川駅・溝の口駅で同じ方向の田園都市線の各駅停車に接続している。
各駅停車.
一部の列車は旗の台駅で急行を待ち合わせするほか、上り（大井町方面行き）のみ朝や夕方に上野毛駅で急行の通過待ちを行う列車が存在する。このほか、二子玉川駅・溝の口駅で同じ方向の田園都市線の準急・急行に接続する列車も設定されている。
一部の各駅停車は田園都市線の二子新地駅・高津駅に停車するため、種別色により区別して案内されている。
過去の運行形態.
戦前期の急行運転.
使用車両.
現在の使用車両.
過去の使用車両.
その他.