東京メトロ副都心線
保安装置
本路線では保安装置に車内信号式自動列車制御装置 (CS-ATC) を導入しており、自動列車運転装置 (ATO) での自動運転によるワンマン運転を行っている。施工に当たっては、有楽町線の新CS-ATC化の2期工事区間（和光市 - 池袋間・小竹向原 - 新線池袋間・2007年10月27日使用開始）と一括発注し、コストダウンを図った。なお、開業時での運転間隔は10両編成による3分間隔を、将来的には10両編成による2分間隔で運転することを想定している。
計画・建設時
副都心線は、東京圏の鉄道網整備計画において東京13号線として構想されたもので、1972年の都市交通審議会答申第15号において、8号線から削除した成増 - 向原間に志木 - 成増間および向原 - 新宿間を加え、「志木から和光市、成増、向原、池袋、東池袋、目白東、諏訪町、西大久保を経由して新宿へ至る路線」として初めて示された。同時に志木 - 和光市間は東武東上線を複々線化する旨ならびに新宿より渋谷、品川を経て羽田空港方面への延伸を検討する旨も併せて示された。その後、1985年の運輸政策審議会答申第7号では池袋以南の南下について終点を渋谷とすることが示された。
このうち、志木 - 和光市間は東武東上線の複々線化を実施し、和光市 - 小竹向原駅は有楽町線として、小竹向原 - 池袋間は有楽町線新線としてそれぞれ開通した。有楽町線新線は、副都心線開業までの間「有楽町新線」または単に「新線」（英称：New Line）と案内され、同線の終着であった池袋駅は広く「新線池袋」（英称：New Line Ikebukuro）と案内されていた。
小竹向原 - 池袋間の先行建設
第13号線が計画された当時、第13号線の開業時期は相当に先になることが予想されていた。しかし、有楽町線との一体建設によるコスト圧縮、沿線住民への配慮、道路占有手続きなど総合的に判断して小竹向原 - 池袋間を有楽町線と同時に建設することになった 。また、この区間は、手続き上は有楽町線の複々線部として取り扱うことになった。
このため、1977年9月に小竹向原 - 池袋間を複々線とする工事計画変更認可を受け、同区間の建設に着手した。この区間は用地節約のため、上下2段構造のトンネルとしている。有楽町線の上段部は1983年6月に開業し、13号線となる下段部（現在の副都心線部）は1985年8月に池袋駅（後の新線池袋駅、現在の副都心線池袋駅）の完成により、すべての地下構造物の構築を完了した。
しかし、有楽町線池袋以西の混雑緩和のため、13号線の開業に先がけて小竹向原 - 池袋間の13号線区間を先行開業することが決定され、1992年5月から1994年10月にかけて下段トンネルの清掃、漏水処理、新線池袋駅にエレベーター、エスカレータ設置工事など内装工事、出入口構築、電気工事等を行い1994年12月7日に開業することになった。この開業時点では「新線池袋駅」と呼称することになった。この区間の開業式では「有楽町線複々線 小竹向原 - 池袋開通」と書かれていた。
本路線として計画された和光市 - 小竹向原間は都市交通審議会答申第15号によって第13号線となったが、建設費用については有楽町線として計上された。また、この小竹向原 - 新線池袋間の建設費用は1992年度 - 1994年度で計上され、計126億6016万6000円を要した。
池袋 - 渋谷間の建設
池袋 - 渋谷間の地方鉄道敷設免許は、同じ第13号線の和光市 - 成増間の申請とともに1975年9月2日に認可申請をしていた。しかし、翌1976年8月11日に和光市 - 成増間の敷設免許は交付されたが、池袋 - 渋谷間の地方鉄道敷設免許の交付は保留となり、以来は免許申請中状態が続いていた。
その後、政府は長引く不況への景気回復策として1998年11月に緊急経済対策を策定し、翌月に補正予算の編成を行った。そして、地下鉄13号線については整備による地域経済の活性化、雇用の拡大などによる景気回復に有効である、との理由から建設予算の確保に至った。この補正予算の編成に合わせ、当時の帝都高速度交通営団（営団地下鉄）は池袋・新宿・渋谷といった3大副都心への重要なアクセス、JR山手線・埼京線に対する混雑緩和へ寄与するなど、建設によるメリットが大きいことから地下鉄13号線の建設を進めることを決定した。
このため、1975年以来申請中であった地方鉄道敷設免許→改正により第1種鉄道事業免許の追加申請を1998年12月17日に実施した。そして、1999年1月25日に池袋 - 渋谷間の第1種鉄道事業免許を取得した。その後、各種手続きを経た2001年6月15日に同区間の建設が開始された（2004年4月1日に営団が民営化され建設は東京地下鉄に継承）。また、同時に有楽町線新線部分に千川駅と要町駅を設置する工事も着工された（将来の駅設置に向け、有楽町線新線開業時から千川・要町両駅では準備工事がなされていた）。
池袋 - 渋谷間の建設に当たっては、営団地下鉄が1951年の丸ノ内線建設を施工して以来、半世紀にわたり培ってきた地下鉄建設技術を集結させた上、各種の新技術を採用した。このことから「環境負荷低減への積極的な取り組み」「建設コストの削減」「建設工事に関する沿道とのコンセンサス形成」の3点に重点を置いて建設を行った。
本区間で新設した7駅のうち、雑司が谷駅と西早稲田駅は駅シールド工法で建設されており、それ以外の駅は開削工法で建設されている。東新宿駅は急行待避線を設置する関係で2段構造の駅としている。また、新宿三丁目駅構内には渋谷方からの折り返し用の引き上げ線が設置されている。本区間の建設にあたっては計10台のシールドマシンが使用された。
駅間は池袋駅 - 新宿三丁目間が単線シールド構造、新宿三丁目 - 渋谷間は複線シールド構造を採用している。このうち、明治神宮前 - 渋谷間の複線シールドには新たに開発した複合円形複線シールドを採用した。このトンネルは従来の丸形シールドトンネルよりも上下方向に圧縮した楕円形の断面とし、土砂掘削量の削減やトンネル下部に使用するコンクリート材を減少させ、従来のシールドトンネルと同等のコストに抑えている。
2007年1月24日、13号線の路線名を「副都心線」とすることが発表された。合わせて建設中の正式な駅名も発表し、池袋駅側から順に雑司が谷（雑司ヶ谷）、西早稲田、東新宿（新宿七丁目）、新宿三丁目、北参道（新千駄ヶ谷）、明治神宮前とした（カッコ内はそれまでの仮称）。
全線開通後
2008年6月14日に全線が開業した。これに合わせ、有楽町線新線を編入した上で和光市 - 渋谷間を「副都心線」と命名し、和光市 - 小竹向原間は有楽町線と線路・駅・施設を共有することになった。有楽町線新線から副都心線への改称に合わせて、便宜上「新線池袋駅」と案内されてきた同駅が「池袋駅」に改称され、千川・要町両駅の営業が開始された。また、開業と同時に東武東上線や西武有楽町線を経由して池袋線との相互直通運転が開始された（相互直通運転自体は有楽町新線時代から実施）。
開業後の利用者数は増加の一途をたどっている。都内鉄道駅を対象に2009年度と2014年度の利用者数を比較しその増加率を見ると、渋谷駅が第2位、東新宿駅が第3位、北参道駅が第7位、明治神宮前駅が第9位に入る。また、東京13号線計画とは別に2013年3月16日から渋谷駅で東急東横線との相互直通運転を行っており（後述）、利便性のさらなる高まりにより、東新宿駅などの利用者数をさらに押し上げている。
こうした輸送人員の大幅な増加によって、路線の経営状態も大きく改善している。週刊東洋経済が、国土交通省鉄道局『鉄道統計年報』から営業係数を算出したところ、2008年度の104.3に対し、2013年度は79.5となり、丸ノ内線や南北線を上回る黒字路線へと成長している。
なお、2009年6月現在、東京地下鉄の路線としては14号線以降の構想はなく、東京地下鉄では発足の経緯などから、「現段階では副都心線池袋 - 渋谷をもって地下鉄建設を終了する」としている。さらに、東京地下鉄株式会社法によれば開業後は同社を株式上場した後に完全民営化する予定であることから、副都心線が同社発足後最初で最後の新規開業地下鉄路線となる可能性が高い。
運行形態
副都心線は定期ダイヤにおいて、急行と通勤急行は全列車10両編成、各駅停車は大部分が8両編成である。10両編成と8両編成とで電車の停止位置が異なることから、駅の時刻表・発車標・接近放送において列車の編成両数も案内されている。また、乗り入れ先である渋谷駅からの東急東横線、小竹向原駅からの西武線（西武有楽町線経由池袋線）、和光市駅からの東武東上線内において種別が変わる列車が多数設定されているため、乗り入れ先の路線内の種別も案内される。
副都心線の終点である渋谷駅からは全列車が東急東横線に乗り入れる。さらに、そのうち大半の列車は東横線の終着駅である横浜駅から先、横浜高速鉄道みなとみらい線元町・中華街駅まで乗り入れる。なお、東横線・みなとみらい線には副都心線に乗り入れない運用（渋谷駅折り返し）が終日にわたり多数設定されている。
日中は30分サイクルのパターンダイヤで運行されている。その間に急行が15分間隔で2本、各駅停車は間隔不定で5本あり、このうち1本は池袋駅で東横線方面に折り返す。
東武東上線直通
2008年6月14日の開業当初は和光市駅で東武東上線森林公園駅まで直通運転を行い、2019年3月16日のダイヤ改正からは小川町駅まで直通運転を行っている。急行・通勤急行・各駅停車ともに、東上線内においては各駅に停車する「普通」として運行していたが2016年3月26日以降は日中時に副都心線急行は「急行」で運転され、土休日の一部列車は「快速急行」として運転されている。
2016年3月26日のダイヤ改正までは基本的に川越市駅発着列車が運転され、森林公園駅発着列車は駅構内に隣接する森林公園検修区への出入庫を兼ねた朝と夜間の東武車に限られていた。2013年3月16日のダイヤ改正以降、日中は川越市駅発着の急行（東上線内普通）が30分間隔で運転されていたが、2016年3月26日のダイヤ改正以降は、森林公園駅発着（東上線内急行）に変更された。10両で運転されている。2019年3月16日のダイヤ改正より、土休日ダイヤのみ朝の一部列車が小川町駅発着となった。
平日ダイヤのみ、朝と夕方以降の一部列車に志木駅発着の列車が存在する。
西武線直通
2008年6月14日の開業当初から小竹向原駅から西武有楽町線を経由して西武池袋線飯能駅までの直通運転を行っている。なお、西武線直通の速達列車については、「急行」と「通勤急行」両方が運転される。小竹向原駅で種別の変更が行われる列車があり、西武線内は快速急行・快速・準急・各駅停車のいずれかに変更する。
2013年3月16日のダイヤ改正以降、日中時間帯の急行は西武線内において快速から「快速急行」に格上げされた。この時間帯においては、急行（西武線内快速急行）と各駅停車（西武線内各駅停車）が2本ずつ30分間隔で運行されており、1時間に小手指駅・飯能駅発着の急行がそれぞれ1本ずつ、保谷駅・石神井公園駅発着の各駅停車がそれぞれ1本ずつである。2013年改正前は飯能駅発着の急行（西武線内快速）と石神井公園駅発着の各駅停車がそれぞれ30分間隔で運行されていた。
西武線内各駅停車となる列車は終日運転されており、日中は前述の通り保谷駅・石神井公園駅発着が設定されている。朝・夕には清瀬駅・小手指駅発着の列車が設定されているほか、土休日には飯能行きが1本、所沢駅発着が1往復設定されている。所沢発着については8両で運転される。それ以外の列車は両数問わず運転されている。
西武線内準急となる列車は所沢駅・小手指駅・飯能駅発着が設定されている。
西武線内快速となる列車は飯能駅発着と平日に所沢行きが設定されている。
西武線内快速急行となる列車は小手指駅・飯能駅発着が設定されている。
2016年6月16日、有料の座席指定制直通列車を2017年春に導入することが発表された。2017年1月10日には運行開始予定日、ダイヤや料金等の詳細が発表された。列車名は「S-TRAIN」で、同年3月25日より運行を開始した。
東急東横線・みなとみらい線直通
2013年3月16日のダイヤ改正より、新たにもう一方の終端駅である渋谷駅で東急東横線と、さらに東横線の終点である横浜駅から横浜高速鉄道みなとみらい線に乗り入れ、元町・中華街駅まで相互直通運転を開始した。
副都心線の渋谷側では、渋谷発和光市行き2本（早朝の初電1本のほか、平日の夕方と土休日の夜間の各1本）をのぞく全列車が東急東横線との相互直通運転を行う。日中時間帯は、副都心線急行は東急東横線内で特急として、副都心線各駅停車のうち1時間に4本を東急東横線内で急行として運転する。一方、東急東横線からの列車は1時間に6本のうち、2本が池袋行き、残りの4本が渋谷駅発着（副都心線へ乗り入れず）となっており、小竹向原方面に乗り入れる列車は3分の2にとどまっている。
東急線内特急・通勤特急として運転されている列車は横浜駅および元町・中華街駅発着で各社の10両編成での運用が設定されているが、土休日1本のみ特急横浜行きが設定されている（横浜駅には2番線に到着し、1番線に停車中の各駅停車 元町・中華街行きに接続）。
東急線内急行として運転されている列車は「元町・中華街駅」発着の列車が大半を占めるが、武蔵小杉駅・菊名駅・横浜駅発着の列車が設定されている。
東急線内各駅停車として運転されている列車は「元町・中華街駅」発着が中心だが、一部列車は武蔵小杉駅・元住吉駅・菊名駅発着と横浜行きが運転されている。
この相互直通運転開始は東横線渋谷駅 - 代官山駅間の地下化にあわせて行われ、副都心線渋谷駅は開業当初から東京急行電鉄（当時。以下「東急電鉄」）の100%子会社である東急レールウェイサービスが東急田園都市線（半蔵門線）の駅と一体的に駅管理業務を行っている。駅構内の旅客向け案内板や発車標などは東急仕様であるが、接近放送と発車メロディについては東京地下鉄のものが使用されていた。現在でも副都心線として出発する電車には東京地下鉄仕様の発車メロディと注意喚起放送が使われている。
副都心線との相互直通運転開始以前の東横線とみなとみらい線はすべての列車が8両編成であったが、副都心線への乗り入れを機に速達列車（特急・通勤特急・急行）を一部列車をのぞいて10両編成に増強するため、これら2路線の速達列車停車駅では10両編成の列車が停車できるようにホーム延伸工事を行った。ただし、各駅停車については従来通り8両編成での運転となる。副都心線開業当初から各駅停車に8両編成の運用が存在していたのは、このためである。
空港連絡鉄道として検討されている蒲蒲線について大田区が作成したパンフレットでは、東横線・東急多摩川線を介して副都心線と京急蒲田駅方面と直通運転が可能となる旨の記述がある。
列車種別
副都心線では以下の種別の列車が運転されている。 副都心線内の現行の停車駅は 「駅一覧」を参照。S-TRAINを含め当線内でも速達運転を行う優等種別が日本の地下鉄で初めて3種類運行されている。
S-TRAIN
2017年3月25日より土休日に運行を開始した座席指定列車。みなとみらい線 元町・中華街駅 - 西武秩父線 西武秩父駅間で運行される。乗車には座席指定券が必要で、途中渋谷駅・新宿三丁目駅・池袋駅にのみ停車する（他に乗務員交代のため小竹向原駅に運転停車する）が、副都心線内のみの座席指定券は発行されない。また、池袋駅からの乗車は出来ない。地下鉄線内で座席指定列車の運行は千代田線で運行されている｢特急ロマンスカー｣以来2例目となる。
急行（Fライナー含む）
東京地下鉄の路線においては、東西線の快速から2例目となる地下鉄線内無料速達列車として、和光市駅 - 渋谷駅間の全線で急行運転を行っており、全列車が10両編成で運行される。
定期ダイヤにおいては、東新宿駅で大部分の急行が各駅停車を追い抜く。そのため、南行は新宿三丁目駅で直後の各駅停車（東横線・みなとみらい線内急行、北参道駅など）に、北行は池袋駅で同じく直後の各駅停車（要町駅・千川駅など）に接続する。有楽町線との接続駅である小竹向原駅では、東上線方面発着の急行と和光市発着の各駅停車（有楽町線直通）・その直後の西武線方面発着の各駅停車（有楽町線直通）、または西武線方面発着の急行（西武線内は定期列車では急行以外の別種別）と東上線方面の各駅停車（有楽町線直通）が接続する。また、渋谷駅で東急東横線の各駅停車と連絡する（渋谷駅終着の東横線各駅停車は殆どの場合到着ホームが異なるため副都心線急行と接続しない場合が多い）。日中時間帯は渋谷駅から先の東横線内において「特急」に、西武線直通列車は小竹向原から「快速急行」に、東上線直通列車は「急行」となる。この組み合わせで列車種別が変更される列車は「Fライナー」の愛称が付く。2016年3月25日までは、東上線直通列車の東上線内種別は「普通」であった。
池袋駅 - 渋谷駅間の所要時間は、速達列車の急行・通勤急行が埼京線・湘南新宿ラインと同等の11分に設定されている。朝と夜間に和光市発着がある以外は東武東上線または西武池袋線に直通運転を行なっているほか、全列車が東急東横線・みなとみらい線に直通運転を行なっている。
停車駅に違いはないがFライナーと平日運転時の急行については赤色、土休日運転時の急行は朱色で表示される。
東武東上線直通列車は主に森林公園駅発着で運転され、一部は川越市駅・小川町駅発着も運行されている。川越市駅発着の列車に関しては、和光市駅で種別を「普通」に、森林公園駅発着の列車については「普通」・「急行」・「快速急行」（快速急行は土休日のみ）のいずれかに設定・変更する。日中は北行・南行とも、小竹向原駅で、和光市駅 - 有楽町線新木場駅間の各駅停車と緩急接続を行う。
西武池袋線直通は主に小手指駅・飯能駅発着が運行されているが、一部列車は保谷駅・清瀬駅などからも運行されている。全列車小竹向原駅で種別を「各停」「準急」「快速」「快速急行」（快速急行は2013年3月から）のいずれかに変更する。日中は北行・南行とも、小竹向原駅で、東武東上線川越市駅 - 有楽町線新木場駅間の各駅停車に連絡する。
東急東横線・みなとみらい線直通列車は土休日2本の菊名発を除く全列車が元町・中華街駅発着で運転されており、渋谷駅で種別を特急・通勤特急・急行のいずれかに設定・変更する。
また、副都心線内発着として和光市駅発着が設定されている。このうち土休日の和光市行き1本のみ車両交換も兼ねて渋谷発（元住吉検車区より回送）で、東急東横線からの渋谷までの急行と接続を取る。
当初は都営地下鉄新宿線の急行と同様、2駅以上に連続停車しなかったが、2010年3月6日のダイヤ改正より、土曜・休日ダイヤの急行が明治神宮前〈原宿〉駅に停車するようになった。これにより、停車日が限られるが東京メトロ他路線と接続するすべての駅に一応停車するようになった。2016年3月28日から、平日ダイヤの急行も明治神宮前駅へ停車するのと併せ、2016年3月26日のダイヤ改正より、東武東上線内急行または西武線内快速急行・副都心線内急行・東急東横線、みなとみらい線内は特急の組み合わせとなる列車限定で、「Fライナー」の愛称が付与されるようになった。
通勤急行
平日の朝夕ラッシュ時に運行される。和光市駅 - 小竹向原駅間は各駅に停車し、小竹向原駅 - 渋谷駅間で通過運転を行う。車両や駅の種別表示では「通勤急行」または「通急」と案内されるが、北行の小竹向原駅 - 和光市駅間は全列車が和光市まで各駅に停車するため、その区間では各駅停車として案内されている。なお、朝に数本、東上線内で急行運転される列車もあり、この場合はその旨の案内もなされる。全列車が10両編成で運行される。急行と同様に東新宿駅で通過線に入り、各駅停車を追い抜く。
基本的にオレンジ・黄色で表示される。
なお西武線直通の通勤急行については、2016年3月26日実施のダイヤ改正に至るまで、小竹向原駅 - 渋谷駅間における急行との停車駅の区別がなく、当該時間帯の速達列車は東武東上線直通と和光市駅発着は通勤急行、西武線直通は急行として運転されていたが、同年3月28日以降より平日の急行も明治神宮前駅に停車するようになり、小竹向原駅 - 渋谷駅間における急行停車駅と、これまで通り明治神宮前駅を通過する通勤急行停車駅とで差異が生まれたため、西武線直通列車にも新たに通勤急行が設定されるようになった。そのため通勤急行は設定上は急行よりも下位種別であるが西武線直通列車については急行よりも上位種別となる。
東武東上線内の種別は普通が中心で、一部急行もある。川越市駅（普通のみ）・森林公園駅発着が存在する。
西武有楽町線・池袋線内の種別は快速が中心で、一部快速急行・準急・各駅停車もある。保谷駅・清瀬駅（前2駅は各駅停車のみ）・所沢駅・小手指駅・飯能駅（各駅停車以外）発着が存在する。
東急東横線・みなとみらい線直通については大多数の列車が元町・中華街駅発着で運転され、渋谷駅で特急・通勤特急・急行のいずれかに種別が変わるが、急行のみ一部列車は武蔵小杉駅・菊名駅・横浜駅発が設定されている。
各駅停車
駅・車両の種別表示では「各停」と案内される。池袋駅 - 渋谷駅間の所要時間は山手線と同等の16分に設定されている。基本的に東京メトロ車・東急車・横浜高速車の8両編成で運行されるが、東急東横線に直通しない、あるいは渋谷駅で種別変更する一部の列車は各社の10両編成で運行される（東横線・みなとみらい線内の急行通過駅の有効長は8両なので、東横線内各駅停車の列車は必然的に8両となる）。車両の編成はダイヤによって決まっており、駅の時刻表において数字が四角で囲まれている列車が8両編成である（ただし、検査による車両不足やダイヤ乱れの場合は8両編成運用を10両編成で代走する場合がある）。開業時から全列車が東新宿駅で待避線に入っていたが、通過線側の壁が撤去されたため2015年5月30日より急行・通勤急行の通過待ちを行わない列車は東新宿駅でも本線に入線するようになった。主に東急東横線内が急行となる列車が、東新宿駅での急行・通勤急行の待ち合わせを行う。東横線内が各駅停車となる列車は日中以外に通過待ちする列車もあるが、大半が副都心線内は渋谷駅（ほとんどが東横線自由が丘駅まで）・小竹向原駅まで先行する。
日中、北行渋谷駅・新宿三丁目駅基準、南行小竹向原駅・池袋駅基準で、東武東上線森林公園駅発着Fライナーの直前を走る東横線内急行の和光市駅発着列車は、小竹向原駅で、西武池袋線小手指駅・保谷駅 - 有楽町線新木場駅間の各駅停車に連絡する。
2017年3月25日のダイヤ改正から、東横線・みなとみらい線内急行で、東新宿駅で座席定員制列車S-TRAINのみの待避を行う列車も設定された。この場合、料金不要列車としては渋谷駅・小竹向原駅まで先着することになる。
基本的に和光市駅・池袋駅発着で東急東横線・みなとみらい線直通と、みなとみらい線・東急東横線 - 副都心線 - 西武池袋線直通で運転されるが、朝夕を中心に新宿三丁目駅発着東急東横線・みなとみらい線直通、和光市より先の東武東上線に直通する列車もある。そのほか、小竹向原発横浜方面元町・中華街行きが早朝に1本、副都心線内のみを全区間運転する渋谷発和光市行きの列車が2本、千川発武蔵小杉行きが平日に2本設定されている。
2017年3月25日改正で、日中の東横線菊名駅発着の各駅停車は池袋駅発着に統一された。この列車は、元住吉駅でFライナー特急に抜かれる以外は速達列車の待避はないため、南行・北行とも、池袋駅 - 大倉山駅間の先着列車となる。
東武東上線直通は志木駅（平日のみ）を中心に一部列車は川越市駅・森林公園駅発着で運転されている。和光市駅では、東上線内急行として運転する平日の1往復を除いた全ての列車が種別を「各停」から「普通」に変更する。8両編成はすべて志木駅発着で運転される。
西武池袋線直通に関しては保谷駅・石神井公園駅（一部列車は清瀬駅・所沢駅・小手指駅・飯能駅）発着で運行されている。日中時は保谷駅・石神井公園駅発着が設定されている。基本的には8両編成で運転されているが、一部は10両編成でも運転される。小竹向原駅で種別を快速急行・快速・準急に変更する列車が数本存在し、副都心線を挟み池袋線・西武有楽町線内準急、東横線・みなとみらい線内急行などとして両端で優等運転する列車も存在する。東横線内急行のため、当然東新宿駅での通過待ちがある。
東急東横線直通に関しては、日中は菊名駅および元町・中華街駅発着で運行されるが朝晩を中心に武蔵小杉駅・元住吉駅発着と横浜止まりの列車も存在する。一部列車は渋谷駅で種別を急行・特急・通勤特急に変更する。ホーム有効長の関係上、東横線内各駅停車となる列車はすべて8両編成で運転され、東武車、西武車の運用はない。平日深夜に運行される新宿三丁目駅発各駅停車（東横線内急行）横浜駅行は終着の横浜駅で先行の各駅停車元町・中華街行に接続するため、副都心線新宿三丁目駅・北参道駅・明治神宮前(原宿)駅における横浜駅以南の最終列車となる。なおこの列車は終点の横浜駅で折り返し急行武蔵小杉駅行となるため、横浜駅では上り列車が使う2番線に到着する。一方でこの列車は渋谷駅において先行している各駅停車（東横線内各駅停車）和光市駅発元町・中華街駅行と接続を取るため、渋谷駅以南においてはこの各駅停車が横浜駅以南の最終列車となる。
種別色は基本的に白黒や灰色で表記されているが、駅や車両により異なる。
西武ドームへの観客輸送
西武ドームにおいてプロ野球の試合など催し物が開催される場合は、小手指行きの急行（西武線内快速急行）を西武球場前行きの急行（西武線内快速）に変更する。この場合、代替としてひばりヶ丘発の快速急行小手指行きが運行され、「Fライナー」を名乗らない。
ワンマン運転とホームドア
開業当初から小竹向原駅 - 渋谷駅間でATOによるワンマン運転を実施しており、2015年3月28日から和光市駅 - 小竹向原駅間についてもワンマン運転を実施している。ただし、座席指定列車のS-TRAINについては座席指定券の確認などを行うために車掌が乗務しており、ワンマン運転の対象外となっている。なお、10両編成でのワンマン運転は当路線が日本国内では初めてである（8両編成までのワンマン運転は都営大江戸線などの例がある）。
また、小竹向原駅 - 渋谷駅間では開業時から京三製作所製のハーフハイトタイプのホームドアが設置されていた（小竹向原と池袋では2008年4月1日使用開始）。その後、地下鉄成増駅 - 氷川台駅間にも2010年10月までにホームドアが設置された後、和光市駅にも2012年4月に設置（同年7月7日使用開始）され、全駅にホームドアが設置された。東京地下鉄におけるホームドア採用例は南北線、千代田線支線、丸ノ内線支線に次ぐ4路線目である。副都心線は南北線とは異なり、元々の車両がホームドアの設置を考慮したものではなく、車両によってドアの位置が多少異なるという難点があった。このため、ドア位置の異なる車種へ対応するため、ホームドア開口幅は 2,480 mm と大きいものとなった。特にホームドアの最も長いもので片側 1,680 mm となり、従来の片側戸袋部分にドアが収納できないことから、収納時のホームドアが戸袋部で重なる方式となった。特にホームドアは大中小3種類の大きさがある。
車両とホームとの隙間が大きい駅においては可動式ステップを設置している。これは列車が到着し、開扉時に自動でステップが張り出すもので、ホームドアが閉扉されるとステップも自動で収納される。また、この可動ステップが張り出しているときにはATCにより、停止信号を現示し、列車が発車できないように制御されている。
千川 - 明治神宮前間はホーム壁面に独自のデザインが施されている。
乗り入れ車両
小竹向原 - 渋谷間で運用される車両を挙げる。
車両運用について
どの列車がどの車両で運転されるかは列車番号で判別できる。2013年3月16日改正ダイヤでは、列車番号末尾アルファベットの「S」が東京メトロ車両（8両編成は01S - 19S／10両編成は21S - 99Sの奇数番号）、「M」が西武車両（02M - 40Mの偶数番号）、「T」が東武車両（01T - 23Tの奇数番号）、「K」が東急車両（8両編成は横浜高速鉄道車両と共通運用で01K - 37K／10両編成は51K - 58K／ダイヤ乱れの場合は41K - 46K）となっている。なお、列車番号が6桁の数字で表される東横線・みなとみらい線では上3桁が運用番号を示し、700番台が東京メトロ車両、100番台が西武車両、000番台が東急・横浜高速車両、800番台が東武車両となっている（例えば「01S」は東横線・みなとみらい線では「701」となる）。列車番号は『MY LINE 東京時刻表』（交通新聞社）などにより確認ができる。
10両編成については有楽町線と共通運用されており、東京メトロ車に加え東武車と西武車にも副都心線のみの運用があり、西武車が和光市駅まで乗り入れることがある。平日と土休日とでは、10両編成での運用が違う。前者では多くはメトロ車の運用だが、一部は東急車や西武車の運用が、朝晩に限り東武車が運用に就く。一方、後者は東武車は日中にも運用があるが、それでもメトロ車の運用が多い。8両編成については、平日も土休日も東急車の運用が大半で、メトロ車は渋谷始発の東急東横線・みなとみらい線直通列車の運用に就くことがある。2016年3月26日ダイヤ改正で、東武東上線内急行運転開始により日中の乗り入れ区間が森林公園駅発着に延長されたことで、平日日中の東武車運用が3年ぶり復活した。
2013年3月16日改正ダイヤでは、東京メトロ車両では10両編成2本および8両編成3本が東急の元住吉検車区で、また10両編成1本が西武の武蔵丘車両基地でそれぞれ夜間留置となる「外泊運用」が組まれている。逆に東京メトロの車庫では、和光検車区に東急・横浜高速車両の8両編成2本・10両編成2本および西武車両1本が、新木場車両基地に西武車1本がそれぞれ夜間留置となっている。
車両改造費用
相互直通運転時には従来、車両保有会社が乗り入れ先の路線に対応するように改造することが暗黙の合意の基、“相直の精神”とされてきた 。
副都心線との相互直通運転にあたっては、当然ながら東武鉄道・西武鉄道の車両にも同線に対応するATO装置などのワンマン運転機器の設置に伴う車両改造工事が必要となり、2社に対する依頼が必要となった。
しかし、東武と西武からは「副都心線に必要なATO装置・ワンマン運転機器は、東京地下鉄の経営効率化のためであり、自社線内では不要なものである。改造費用の全額負担はできず、東京地下鉄の負担とするべき」と主張された。
その後、東京地下鉄・東武・西武の3社で協議の結果「副都心線のワンマン運転に必要な車両改造の初期費用は東京地下鉄が負担する。対応機器は車両保有会社が所有するが、機器の使用権利は東京地下鉄に属する」という条件の元に2社の車両の副都心線対応改造が実施されることになった。