東急9000系電車
外観
本系列は軽量ステンレス鋼製の20 m級4扉車体で、将来の営団（現・東京メトロ）南北線や都営三田線への乗り入れに使用することを視野に入れていたため（後述）、地下線乗り入れを考慮した非常時前面貫通構造である。車体はすべてダルフィニッシュと称する梨地仕上げのステンレス材を使用し、正面・側面には東急のコーポレートカラーである赤帯を巻いている。
前面は従来車と同様の切り妻スタイルであるが、非常用非常扉を助士席側にオフセットさせ、運転士側のスペースと視野の拡大を図っている。車内には非常脱出用のはしごが設けられている。これは大井町線用の9007Fを除き2004年（平成16年）2月1日のみなとみらい線開業を前に大型のものへ交換された。前面のステップ（足掛け）は大型化され、非常用はしごはここに引っ掛けて使用する。前照灯は角形であり、本系列より尾灯はLED化された。なお設計当初はパノラミックウィンドウの使用や、営団01系のような角を落とした前面形状も考えられていたが、上層部の強い意向により切妻スタイルとされた。
新製当初から東横線に投入された編成（9001F - 9006F・9008F - 9015F）は2005年（平成17年）1月から前面に補助排障器（スカート）の取り付けが施工された。当初、東横線所属の本系列におけるスカート設置は限られた編成のみ施工される予定であり、公式ホームページ上にもそのように掲載されていたが、結局同路線に所属する全編成に対して施工された。なお、当初から大井町線に所属している9007Fへは取り付けが実施されなかったが、同時期にパンタグラフをシングルアーム式に換装、その後2014年（平成26年）1月にスカートが装備された。このほか、2001年（平成13年）頃には全編成に転落防止幌が設置された。
行先表示器は当初から字幕式であるが、大井町線で運用されている編成はフルカラーLED式に交換されている（この件は後述）。前面は左から種別表示・行先表示・運行番号表示である。また、急行標識灯が設置されており、急行・特急列車での運用時には点灯していたが、2002年（平成14年）4月から使用が停止された。側面は種別・行先表示一体形の表示器である。オリジナルは「各停表示なし・ローマ字表記なし」であるが、3次車の9008Fからは前面行先表示のみローマ字入りとされ、その後に初期車でもローマ字入りへの交換を行った。東横線用は横浜駅 - 桜木町駅間の廃止とみなとみらい線開業時に前面・側面の種別と行先表示をオリジナルと大きく異なる方向幕に交換された。その後大井町線用の9007Fも2008年（平成20年）7月下旬に前面種別表示幕と側面表示が交換され、8090系などと同様に同線での種別表示に対応した。
2007年（平成19年）2月から7月にかけて落成当初から設置準備工事のみであった車外放送用スピーカーを、全ての編成に設置した。現在は同線で運用されている乗り入れ車両を含めた全車両に車外スピーカーが設置されているため、このスピーカーを利用した車掌による乗降促進放送などを頻繁に行うようになっている。
冷房装置は分散式で、落成当初は東芝製RPU-2214形で、能力11.6 kW（10,000 kcal/h）のものを各車4台搭載していた。装置外観キセ（カバー）はFRP製である。
その後、2001年夏ごろに9002Fと9012Fの2・4号車において試験的に大容量（14.5 kW・12,500 kcal/hを1両4台）のものに換装した。装置外観キセはステンレス製である。比較の意味もあり、前者は三菱電機製（CU-503形）、後者は東芝製（RPU-4018形）のものをそれぞれ搭載した。その後、この結果を踏まえて2004年（平成16年）より東芝製の大容量タイプへの換装が実施されたが、電源である静止形インバータ（SIV）の給電能力の関係から1編成32台ある冷房装置のうち14台のみとなっている。
2008年（平成20年）現在では9007F・9008F・9010F・9013F以外の編成に施工されている。9002Fの1 - 4号車は同年現在も試験時の装置が搭載されており、うち9302号車は一時的に3種類すべての冷房装置が設置されていた。このタイプへの換装は8500系の第37・42編成にも実施されている。なお、東横線から大井町線に転属した車両では一部変更されている。
内装
車内設備においても、乗客へのサービス向上のため様々な点で見直しを行っている。
内装は8090系と同様の「ソリッドパターン」と呼ばれる模様の入ったベージュ色の化粧板を使用し、床材はキーストンプレートの塗り床（茶色）である。なお、2017年に、9003Fと9006Fの床材を、大井町線急行用の6000系新3号車（2017年製造）と同じものに交換している。席配置はドア間が7人掛け座席、車端部は3人掛けのロングシート座席と東急の鉄道線で運行する自社保有車両では珍しく、クロスシートを設置している。
ロングシート部は、乗客1人分の幅を440mmに拡大して7人掛けの座席を3人掛けをオレンジ色・4人掛けを茶色に色分けするとともに、座席端に袖仕切りを設け、また座席の中間に新たに仕切り板を設置して着席定員を守りやすくしている。優先席（旧・シルバーシート）は時期によって異なったがその後は青色とものとした。当初のつり革は丸形であり、新たに枕木方向にも増設した。また、優先席部は後年オレンジ色で三角形のものと交換された。
2000年から2002年にかけて交通バリアフリー法に対応し、東横線用は2号車と7号車、大井町線用は4号車の車端部の3人掛け座席を撤去の上、車椅子スペースを新設した。この際に壁面埋め込み式ヒーターの新設と消火器を収納キセに収めるようにした。
側窓はサッシュレス構造を採用し、遮光カーテン付としている。連結面は固定式の妻窓があり、貫通路幅は800mmとし、各車両の渋谷方には吹き抜け防止の貫通扉を設けている。
天井は平天井構造で、冷房装置の吹き出し・リターン口1台と補助送風機2台が交互に配置されている。補助送風機は先頭車に7台、中間車に8台設置している。
メンテナンスがほぼ不要なかご形三相誘導電動機を採用したことや、電動機の結線をワンタッチコネクタ化したことから、床面の主電動機点検蓋は省略された。東急では初代7000系以来である。
乗務員室
乗務員室は乗務員の運転操作性向上を主眼に設計され、線路方向に1,375mm確保された。室内はアイボリーの配色、運転台はワインレッド調の配色であり、8500系に準じているが、貫通扉が車掌台側に寄ったため配置に余裕がある。計器盤には左から圧力計・ブレーキ指示計、故障表示灯、速度計（中央）・保安表示灯・種別表示の順に並んでいる。表示灯はすべてLED化された。主幹制御器はデッドマン装置付のT字形ワンハンドル式である。運転台上部には故障時のガイダンス処置を表示するモニタディスプレイが設置された。
前面ガラスの光線ヨケ（日差し除け）は、クハ9101号において従来のアルミ遮光板に代わり、巻き上げ式カーテンを採用した。これは西日などを遮ることで、運転士の前方視認を確実にするもので、安全面に配慮したものである。これは後の量産車以降にも採用されたほか、在来形式車にも取り付けが実施された。
車掌用のマイクは乗務員室扉周りに各1個（両側で2個）、運転台の右に1台（これは送受話器形で、乗務員室間連絡用と車内放送用）の計3個が設置されている。
東急では初めてウインドウオッシャ付きの電動式ワイパーを採用した。また、警笛は空気笛に加えて電子ホーン（電気笛）を採用した。
運転室と客室の仕切り部は前面窓と同じ配置で、仕切り窓が3枚並んでおり、このうち左側2枚の窓には遮光幕が設置されているが、右端の窓にはない。なお、遮光幕はロールカーテン式ではなくアルミ製の下降式遮光板であり、窓下から引き上げて使用する。
また、2007年7月ごろまでに全編成の車掌スイッチを機械式から5050系や横浜高速鉄道Y500系と同様のタイプである間接制御式（リレー式）に交換した。
車内案内機器など
9001Fでは先頭車両のクハ9001・9101の車端部（貫通扉上部）のみに、日本の鉄道車両としては初となるLED式車内案内表示器が搭載された。赤とオレンジの2色表示で「次は○○（駅名）」と表示され、ドットはクハ9001が四角、クハ9101が丸形であったが、ともに2000年8月6日のダイヤ改正で多摩川園駅が多摩川駅に改称され、さらに同駅に急行が停車することになったため対応できなくなり、装置の使用を中止した。その後、この車端部LED表示器は冷房装置などの機器を更新する際に撤去し、他の車両と同様に広告掲示スペースとされた。
その後、東横線用の車両（大井町線用の9007F以外）には2003年度からドア上部にLED式車内案内表示器を千鳥（左右交互）配置に、ドアチャイムを各ドアの上部にそれぞれ後付けで設置している。案内表示器は3000系などと同じく2段式である。このうち、先行して設置された9014F・9015Fでは案内表示器・ドアチャイム用スピーカーのカバーの色がベージュであったが、その後設置された編成ではアイボリーになっている。大井町線所属の9007Fについても2014年1月に車内案内表示器が設置されている。
また、落成当初から東急の車両で初の音声合成式自動放送装置を搭載し、以後東急の車両における標準装備品となった。2003年に自動放送の放送内容と声優が変更され、同時に英語放送も追加された。
制御装置など
東急の量産車で初めてVVVFインバータ制御とかご形三相誘導電動機を採用した。日本国内における直流1,500V用車両では前述の初代6000系および近畿日本鉄道の1250系（現・1420系）と3200系、新京成電鉄の8800形に続く5例目となる。
GTOサイリスタ素子による日立製作所製制御装置（1次車9001F：VF-HR-107形・2次車9002F以降は改良形：VF-HR-112形）を各電動車に搭載し、1台の制御器で4台の電動機を制御する（1C4M方式）。またVVVFインバータ制御の特性を活用して定速運転機能を付加した。
主電動機（TKM-86形かご形三相誘導電動機）は日立製作所・東洋電機製造製の共通設計品であり、MT比1：1で高い起動加速度（3.1km/h/s）を確保するため、1時間定格は170kWと出力は大きい。高速走行時における電動機冷却ファンの風切り音の低減のため、冷却ファンは電動機枠内に収めた。
制動装置は回生ブレーキ付きの電気指令式ブレーキ（HRA・ハイ - レスポンス - アナログ方式）である。回生ブレーキの動作範囲は停止直前 (5km/h) までと広い。そのため、起動時のみならず減速時も非同期領域の磁励音を主電動機および制御装置から発する。合わせてVVVF制御の特性を生かし、T車遅れ込め制御併用形とした。
冷房装置などサービス機器の電源である静止形インバータは、東芝製の容量120kVA、出力電圧440V、GTO素子を使用している。空気圧縮機 (CP) はレシプロ式・低騒音形の新規品で、電動機には保守の容易な交流誘導電動機を採用したHS-20-1形を使用している。
台車は軽量ボルスタレス台車（TS-1004形〈電動車〉・TS-1005形〈付随車〉）を採用した。軸箱支持は8000系と同じ軸箱守（ペデスタル式）としたほか、仕様の見直しなどにより同系列より1台車当たり400kgの軽量化を図った。
基礎ブレーキは電動車が片押し式踏面ブレーキ、付随車がディスクブレーキとしている。なお、1990年度に落成した最終編成9015Fの9015号車では1991年（平成3年）6月まで翌1992年に落成する2000系用の試作台車TS-1009形（円筒積層ゴム式軸箱方式）の走行試験に使用されたが、試験終了後は本系列用の台車に換装した。
集電装置はクーラーキセの大型化に伴い小型化され、さらに折りたたみ高さを低く設計したPT44-S-D-M形とした。これは折りたたみ時に上枠が下枠に収まるようにして小型化したものである。当初より剛体架線に対応した集電舟が使用されている。
保安装置は落成時は東急形ATS装置のみを搭載していた。その後、大井町線用の9007Fは1991年（平成3年）3月の田園都市線ATC化に伴い、入出庫で同線を走行する機会が多いことから、ATC装置を取り付けた。また、後年の2007年（平成19年）2月の大井町線ATC-P化に伴い、ATC-P装置への更新が実施された。
それ以外の東横線用（9001F -9006F・9008F - 9015F）は1997年（平成9年）3月の東横線渋谷駅 - 菊名駅間ATC化に伴い、ATC-P装置の取り付けが施工された。
東横線・大井町線へ導入
1986年から1991年にかけて、東横線用の8両編成が14編成（9001Fから9006F、および9008Fから9015F）、大井町線用の5両編成が1編成 (9007F) 導入された。東横線の車両は元住吉検車区、大井町線の車両は長津田検車区が管理している。
導入当時の東横線では急行と各駅停車の列車運用が分離されていたが、9000系は急行・各駅停車の双方に運用された。また、大井町線では各駅停車のみの運転であるほか、早朝・深夜には鷺沼車庫への出入庫を兼ねた田園都市線直通電車への充当もある。
大井町線への導入に先立っては、乗務員の習熟訓練を目的として1986年11月の1か月弱ほど中間3両を抜き取られた9001Fが大井町線で一時運用された。
その後、1989年8月から1991年3月にかけては、大井町線車両のCS-ATC搭載工事にともなう編成数の確保を目的として、9001Fが前回同様に大井町線で一時運用された。この2度目の9001Fの大井町線での運用は約1年7か月と長期に渡ったことから1990年10月から1991年2月まで9001Fから抜き取って留置されていた中間車3両を9008Fの中間車3両と交換して走行距離を調整した。
1996年、車輪のきしり音対策の試験のため、大井町線用の9007Fが数日間3両化されてこどもの国線で運用された。
東横線特急列車への充当・みなとみらい線への直通
2001年3月28日には、東横線で特急運転が開始された。この際、列車種別による列車運用の分離は廃止となり、9000系についても特急から各駅停車まですべての運用に使用された。
2004年2月1日から、みなとみらい線が開業し、東横線との相互直通運転が開始された。東横線の列車がほぼ全てみなとみらい線まで直通する形態をとり、9000系もみなとみらい線元町・中華街まで運用範囲を広げた。
みなとみらい線開業にあたり、事前に地下化される区間を含めてみなとみらい線内での試運転が実施され、9008Fが2003年10月に一度運用を離脱し、横浜高速鉄道Y500系Y516Fとともに使用された。搬入は、同年11月に東白楽駅反町寄りの仮設地下搬入線路から行われ、搬入線路へは長津田車両工場からトレーラーで陸送された。
大井町線用の車両のイメージチェンジ
2004年12月に、大井町線用9007Fの集電装置は菱形から雪が付着しにくいシングルアーム式パンタグラフに換装された。大井町線は線内に検車区が無く、パンタグラフに付着した雪を落とすことが難しいためである。ほかの大井町線用車両についても同様に換装されている。
2006年3月18日から、土休日に数往復、大井町線から田園都市線中央林間駅までの直通電車（大井町線内各駅停車・田園都市線内急行運転）が設定されたが、9000系は使用実績が無い。このため、田園都市線との誤乗防止目的で施された車体前面グラデーションカラー化と「大井町線」と書かれたステッカー貼付は、急行運転開始まで貼付されていなかった。さらに、2008年3月28日からは大井町線で急行運転が開始されたが、これについても6両編成の新型車両6000系が導入されたため9000系はその後も専ら各駅停車の運用に就いている。
大井町線急行運転開始前に大井町線の保安装置がATCに変更されることから、大井町線所属車両のATC改修工事に従う車両不足を補う必要が生じた。このため、9001Fが2007年8月25日に5両編成に組成した上で大井町線に転用し、同年8月27日から2008年3月27日までの7か月間大井町線で営業運転に就いた。この際、3両（サハ9801-デハ9301-サハ9701）は休車とされた。その後再び8両編成に戻され、2008年5月20日に東横線に復帰した。
なお、行先表示器の字幕は9007Fと同様の「各停表示なし・前面の英字が大文字と小文字の組合わせ・側面は日本語表記のみ」のタイプで、東横線所属編成がみなとみらい線対応幕に交換する前に使用していたものを流用していた。また、9001Fなどパンタグラフのシングルアーム式換装が行われていない編成も存在したが、2014年までにシングルアーム式に統一された。
特記事項
本系列は、新機軸を採用した車両だけに、新製投入直後は初期故障を中心としたトラブルも多かった。空転の多発や台車の空気バネの圧力調整不具合から1986年3月13日朝に9001Fが横浜駅付近（地上線時代）のカーブ区間の勾配（カント）に馴染まず脱線事故を起こすなどしているが、これらも徐々に克服していった。なおクハ9001の海側運転台寄りの台枠部には、この事故で生じた摩擦痕が今も残っている。
また、当時「都心線」と呼ばれていた目黒線から帝都高速度交通営団（現・東京地下鉄）南北線および東京都交通局（都営地下鉄）三田線との相互直通運転への対応も想定して設計していた。しかし、実際には急勾配の多い南北線では出力不足であったといわれ、それに加えて当初計画のホームセンサー方式（池上線と東急多摩川線で採用）からホームドア方式への計画変更によりモニタ装置を装備させる必要が生じたこと、これによる乗務員の安全確認上の問題やコスト面から地下鉄乗り入れ開始に際しては新系列となる3000系を設計・製造した。その名残りとして目黒線に乗り入れている都営6300形電車および東京メトロ9000系電車の初期車には本系列と同様に一部座席にクロスシートを設置するなどの共通点が見受けられ、本系列には車外スピーカーの準備工事（その後設置済み）がなされていた。さらに、方向幕および指令器には［田園調布］や［目黒］の表示も用意されていたが、後のみなとみらい線開業に向けた対応で消滅した。加えて、運転台のマスコンキーやATC/ATS切り替えスイッチが営団対応のものになっているほか、運転台左側壁面には増設メーター類の準備工事が、サハ9700形の妻面には誘導無線アンテナの取り付け準備工事がなされていた。
当初は本系列も副都心線への直通運転対応を行う予定であったが、ブレーキ応答性の問題でATO運転に必要とされる停止精度を満たせない等の理由で対象外となった。