西武新宿線
西武新宿 - 高田馬場
頭端式2面3線の西武新宿駅を出ると、進行方向左手に現れるJR東日本の山手線、埼京線、湘南新宿ラインに並行して北進する。職安通りのガードを越えて少々走ると、JR山手線の新大久保駅が現れるが、当線の駅は設けられていない。海城中学校・高等学校、保善高等学校の校舎を右手に見ながらほぼ直線状に北進し、電車はJR山手線、東京メトロ東西線との乗換駅である高田馬場駅に到着する。
高田馬場 - 鷺ノ宮
高田馬場駅を出て右にカーブした後、下りながら左に急カーブしながら神田川をまたぎ、その直後にJR山手線をくぐり、進路を西に取る。曲線半径は158m、30.3‰の下り勾配のため、30km/hの速度制限を受ける。ここで地上に降りるが、これ以降は、ごく一部を除いて高架や盛土区間を走らない。山手線をくぐった後は下落合駅まで新目白通りと並行し、下落合駅手前では妙正寺川に接する。以降、蛇行する妙正寺川を途中数度渡りながら住宅密集地を進む。中井駅は山手通りの下にあり、中線が1本ある待避駅で、都営地下鉄大江戸線との乗換駅である。下落合寄りはカーブしており、ポイント通過の際に列車が大きく揺れる地点でもある。新井薬師前駅の300m程西で中野通りと平面交差するが、踏切で渋滞していることが多い。沼袋駅は内側2線の通過線を持った相対式ホームである。ただし、現在は後述の連続立体交差事業の関係で2面2線の相対式ホームと追い越し線の2面3線という形態となっている。完成時には島式ホーム2面4線となる。また、駅前は京王バスが発着するが、街路が狭隘なため、南行一方通行のみである。ここに限らず都心寄りは狭隘な駅前を持つところが多い。なお、中井駅から野方駅までの中野区内区間では、連続立体交差事業により地下化工事が始まっており、完成時には中野通りを含む7箇所の踏切が撤去される予定である。野方駅直下で環七通りを乗り越し、都立家政駅を経て下り線のみ待避可能な鷺ノ宮駅となる。この高田馬場駅 - 鷺ノ宮駅間は半径300 - 600mのカーブが連続するため最高速度が抑えられることになる。
鷺ノ宮 - 上石神井
鷺ノ宮駅の先で右カーブした後は、多少のアップダウンこそあれど、比較的線形が良くなり、下井草駅付近からはちらほらと畑が車窓に見え始める。鷺ノ宮駅から上石神井駅の間では井荻駅のみ通過線がある。またこの駅では環八通りと交差しているが、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。上井草駅附近からは住宅の密集度が低くなり、景観が武蔵野らしくなってくる。千川通り（東京都道439号椎名町上石神井線）を踏切で交差した先に、上石神井車両基地が南に広がり、島式ホーム2面3線の上石神井駅となる。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。
上石神井 - 田無
上石神井駅を出て次駅武蔵関駅手前から下り勾配となる。武蔵関駅の先で石神井川と並行する。武蔵関公園の北側をかすめると上り勾配となり東伏見駅となる。東伏見駅は同線では珍しい島式ホーム2面4線の待避駅である。また、東伏見駅以西の各駅にはほぼすべての駅に駅前広場が整備されている。若干の盛土と掘割区間を経て西武柳沢駅を過ぎると、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した後、再び地上に戻り武蔵境通りと平面交差すると田無駅となる。特急「小江戸」と拝島ライナー以外のすべての種別が停車する主要駅だが、島式ホーム2面3線の設備である。この配線が同線の特徴である。
田無 - 小平
田無駅には本川越駅寄りに引上線がある。それを横目に住宅街を西へ進む。線路北側の家並の向こうにはスカイタワー西東京が見える。西東京市と小平市の市境付近より右カーブし、これより東村山駅の手前まで、進路を北西に取る。カーブの先に花小金井駅がある。島式ホーム1本であるが、かつては2面3線だった名残でホーム幅が広い。駅のすぐ南には多摩湖自転車道が通っており、ここから次駅小平駅付近まで並行する。駅のすぐ西側で小金井街道と平面交差する。道幅は広いが、南北を結ぶ西武バスの各路線が通り、踏切が原因でしばしば渋滞が発生している。住宅と畑が混在する一帯をしばらく進むと青梅街道と斜めに平面交差する。踏切の前後はカーブしており、列車が減速するため踏切渋滞に拍車をかけている。また、踏切横には公立昭和病院があるため、救急車がしばしば立往生している姿を目にする。カーブを過ぎると新小金井街道が下をくぐる。付近は畑が目立ち、空が広く感じる一帯である。やがて上下線の間に引上線が割り込み、拝島線と分岐する島式ホーム2面4線の小平駅に着く。
小平 - 東村山
小平駅は2面4線の駅であるが、待避駅ではなく拝島線との分岐駅となっている。このため小平駅までは複線であったのが、小平駅を出た直後は複々線のようになっている、線路の賑やかな駅である。小平駅の北西に小平霊園があるため、駅付近には墓石屋が多く、春秋の彼岸の時期には北口前に露店が並び、急に賑やかになる。
小平駅を出てしばらく拝島線と並行するが、拝島線は左に曲がって分かれてゆく。右手に小平霊園を見ながら進んでいくと久米川駅に到着する。分岐駅に挟まれていることもあり、駅としては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おり、にぎわっている。
久米川駅を出るとすぐに空堀川と新青梅街道と交差する。野方駅辺りからここまでは新青梅街道に並行する形で進んできたが、東村山駅の手前で右カーブして北へ進む。このカーブの所で府中街道と平面交差する。主要道路との平面交差であるので、しばしば渋滞する地点である。カーブを過ぎると左側に国分寺線が現れ、東村山駅まで並行する。新青梅街道との交差地点から先、東村山駅の先の都県境付近までの2.3km区間、高架による連続立体交差化計画がある。
東村山駅は東に市役所などがある市の中心部のため、東口側は以前から駅前広場が整備されている。一方、昔ながらの雰囲気を残していた西口も2009年に新たな駅前広場が整備されるなど、再開発事業はほぼ完了した。ただ、依然として狭い道が多い地域となっている。
東村山 - 所沢
3面6線の東村山駅を出ると、西武園線としばらく並行する。やがて西武園線が左にそれ、住宅街ながら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。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、さらに池袋線が頭上で立体交差し、池袋線と接続する所沢駅となる。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。3面5線で、複雑な線路配置であるが、新宿線だけを見ると、基本的に相対式ホームと言える。改良工事が終了し、駅舎やコンコースが拡大されたものの配線自体に大きな変化はない。
所沢 - 新所沢
所沢駅を出て直ぐに左へカーブし、進路は再び北西に取ることとなる。東川のガードからは直線区間が続く。東側は所沢航空記念公園が一帯に広がり、西側は一方通行であったり、狭隘であっても線路沿いに道路が設けられており、東側のマンションや大規模団地開発に際しての配慮と思われる区間でもある。新宿線内では最も新しい駅・航空公園駅に到着する。市役所や所沢市民文化センター ミューズ、簡易裁判所、税務署、公共職業安定所等の主だった公共機関が航空公園駅東口周辺に移転してきたこともあり、所沢市の行政の中心とも言える。
航空公園駅を出ると、住宅地をくぐり抜け、2面4線の新所沢駅に到着。新所沢駅界隈も道路整備や街並みの整備により、以前とはまた違った顔を見せる。開業時から繁華街として栄えた西口にはパルコ等のテナントや、居酒屋が多く見受けられる。南入曽車両基地へ出入する電車は、同駅始発・終着となる。
新所沢 - 狭山市
新所沢駅から次の入曽駅までは直線である。両駅のほぼ中間、県道所沢狭山線が斜めに交差した先に南入曽車両基地がある。周囲は宅地よりも農地が目立つ。入曽駅は、東伏見駅以西の各駅の中では唯一駅前広場が整備されていない。入曽駅の先で県道川越入間線と交差した辺りで緩い右カーブをなし、しばらく進むと左手に航空自衛隊入間基地が広がる。基地の東側に沿って進み、基地が終わると県道所沢狭山線が頭上を乗り越え、右カーブしながら狭山市駅に着く。相対式ホーム2面2線の特急「小江戸」停車駅である。バス路線が集中する駅の西側においては駅前広場が無く道幅も狭いなど問題が多かったため、駅舎を含めた再開発事業が実施され、2012年に完了した。
狭山市 - 本川越
狭山市駅を抜けると、しばらく右カーブの後直線状に走る。この右カーブの先の進路は北東となる。新狭山駅を過ぎると川越狭山工業団地の中を走り、その後、川越市に入る。すると、かつて安比奈線との分岐駅であった南大塚駅に着く。安比奈線は1963年より長らく休止となっていたが、2017年5月31日を以て廃止となった。その後、関越自動車道のガードをくぐり速度を上げるが国道16号との立体交差付近で減速し、脇田信号場で単線区間へ入る。JR川越線と東武東上線のガードをくぐり踏切を越えると本川越駅に着く。
列車種別
停車駅は「駅一覧」を参照。
2019年3月16日現在の種別
2019年3月16日のダイヤ改正時点での運転状況を記す。
特急
終日運転される有料特急。正式名は「特急レッドアロー号」。「小江戸」の愛称があり、全列車が西武新宿駅 - 本川越駅間の往復である。1993年の「小江戸」運転開始当初は所要時間43分で走破していたが、2013年3月16日より東村山駅が正式に停車駅として追加された。そのため、現行ダイヤでの所要時間は最短45分である。
1993年までは西武新宿駅 - 西武秩父駅間で、休日のみ「おくちちぶ」号を運転していたほか、送り込みとして西武新宿駅 - 本川越駅間（上りは所沢駅発）を1往復「むさし」号として運転していた。
2011年から2014年までは拝島線に直通する臨時特急が運行されていた。2011年度は新宿線内は西武新宿駅・高田馬場駅・田無駅・小平駅に停車していたが、2012年度以降は田無駅は通過するようになった。なお、2011年・2012年度は乗車駅が西武新宿駅・高田馬場駅に限定されていたが、2013年度からは限定なく途中乗車可能となっていた。
拝島ライナー
2018年3月10日のダイヤ改正から運行が開始された座席指定制列車。拝島線へ直通運転し、夕方・夜間に西武新宿駅発拝島駅行きが6本運転される。車両は40000系が使用される。停車駅は高田馬場駅（乗車専用）、小平駅から先の拝島線の各駅。西武新宿駅、高田馬場駅から乗車する場合は座席指定券が必要となるが、小平駅から先の各駅では乗車券のみで乗車できる。
通勤急行
通勤急行は本川越駅・所沢駅から高田馬場・西武新宿方面への速達を目的に平日朝ラッシュ時の本川越駅発2本のみ運転される。後述の急行では各駅に停車する本川越駅 - 田無駅間も急行運転を実施する。拝島線の乗換駅である小平駅は停車しない。なお、この時間帯にも急行は運転されている。
1993年にそれまで運転されていた平日朝ラッシュ時の千鳥停車の急行の停車駅を明確にする目的で、快速（現在は廃止）とともに登場した。当時は現在のような田無駅以西での急行運転を実施せず、田無駅 - 高田馬場駅間で上石神井駅に停車し、鷺ノ宮駅を通過する種別を通勤急行と呼称した。また、現在は所沢駅 - 本川越駅間の途中停車駅は新所沢駅・狭山市駅のみだが、当時はこの区間は各駅停車であった。現在の停車駅となったのは2001年12月からで、朝ラッシュ時の所沢・本川越方面から西武新宿方面への速達列車の色合いが強くなった。
種別色は黄色またはオレンジ色である。
2018年3月10日のダイヤ改正以降は運用乱れ時を除き、原則40000系が使用される。
急行
急行は、当路線の主力優等種別であり、本川越方面・拝島方面ともに終日運転される。基本的には西武新宿駅 - 新所沢駅・本川越駅・拝島駅間で運転されている。日中時間帯は1時間に6本で、本川越駅発着と拝島駅発着が20分間隔で交互に運転されており、西武新宿駅 - 小平駅間では10分間隔となる。編成両数は平日日中を含めて10両編成での運転が基本であるが、土休日では、終日にわたって8両編成で運転する列車が存在する（後述の準急も同様）。また、玉川上水駅発着の列車が平日に朝の下り1本と夕方の上り3本（土休日は上り2本）、平日の下りと土休日の夕方には田無駅発着がそれぞれ2本設定されている。
各駅停車との接続は昼間時間帯は下りは鷺ノ宮駅で、上りは上石神井駅で行われる。また小平駅では本川越駅発着の列車は小平駅 - 玉川上水駅・拝島駅間を運転する各駅停車に、拝島駅発着の列車は西武新宿駅 - 新所沢駅・本川越駅間の列車に接続する。平日夕方時間帯（20時まで）は下りは中井駅で各停を追い越し、鷺ノ宮駅・上石神井駅・小平駅で接続する。平日朝ラッシュ以外の時間帯は下りは鷺ノ宮駅・小平駅で接続、上りは小平駅（拝島方面からの列車）か田無駅（所沢方面からの列車）のどちらかと上石神井駅で接続する。平日朝ラッシュ時は列車によって異なる接続をする。
下り列車の田無駅から終点までは、方向幕では急行と表示されても、発車標では各停と表示される（これは後述の準急でも同様）。
ほぼ終日にわたり、下り列車の拝島・本川越方面行きは鷺ノ宮駅・上石神井駅・東村山駅・新所沢駅のいずれかで（拝島方面行は朝夕のみ）、また本川越・拝島方面からの上り列車は新所沢駅・東村山駅のいずれかで特急に抜かれる。
1993年のダイヤ改正以前は、平日朝ラッシュ時の上りに限り通常の急行以外に、田無駅 - 高田馬場駅間で途中、上石神井駅にのみ停車する急行（本川越駅発）と、鷺ノ宮駅にのみ停車する急行（拝島駅・西武遊園地駅発）が運転されていた。停車駅こそ違ったが、どの種別も一括して「急行」と呼称され不明確であったため、ダイヤ改正後は前者を通勤急行、後者を快速と呼称するようになった。
かつては萩山駅で連結・切り離し作業を行う列車（西武新宿駅寄り4両が西武遊園地駅発、拝島駅寄り6両が拝島駅発）も存在していたが、2013年3月15日を以って運行を終了した。さらに土休日には、2016年3月21日まで西武遊園地駅発着の列車もあり、この列車は多摩湖線のホーム有効長の関係上8両編成で運転されていた。2016年3月26日実施のダイヤ改正で、西武プリンスドームにおけるプロ野球試合開催日や夏休みなどの不定期運転に格下げされ、上りについては2本とも田無駅始発を延長して不定期的に運転する形を取った。
種別色は朱色・赤文字である。
準急
準急は、急行を補完する形で早朝・平日朝ラッシュ時、平日夕方・夜間・終電前に運行される。基本的には西武新宿駅 - 田無駅・新所沢駅・本川越駅・拝島駅間の運転系統が基本である。早朝・深夜の一部を除き、多くの列車が鷺ノ宮駅以遠の停車駅で、急行・拝島ライナー・特急に追い抜かれることがある。
かつては終日にわたり運行されていたが、日中をはじめとする大部分の列車は2012年6月30日のダイヤ改正で急行に格上げされる形で廃止された一方、2013年3月18日からは拝島駅発着の準急を平日限定で朝・夕方・夜にも運行し、また本川越駅発の急行の一部を準急に格下げして本数を増やした。一方、土休日は西武新宿駅 - 新所沢駅・本川越駅間で合わせて下り3本、上り4本のみの設定であった。2018年3月10日のダイヤ改正より、一部急行を格下げする形で休日夕夜間の準急が復活し、始発駅を17時以降に発車する列車が設定されたが、2019年3月16日のダイヤ改正で休日夕方の準急は再び急行に格上げされて消滅した。
種別色は緑色である。
各駅停車
各駅に停車する。西武新宿駅 - 本川越駅間の全線を運転する列車のほか、西武新宿駅 - 上石神井駅・田無駅・新所沢駅間の区間列車が運行されている。昼間時間帯以外には西武新宿駅 - 玉川上水駅・拝島駅間の拝島線直通列車が運行されている。また、平日朝上りに西武遊園地始発西武新宿行きが3本、本川越発新所沢行きが1本（新所沢駅で始発の各駅停車西武新宿行きと接続）運転されている。各駅停車のみ停車する下落合駅 - 都立家政駅・下井草駅 - 上井草駅の各駅のホームの長さは8両分しかないため、基本的に8両編成で運転されるが、早朝・深夜には出入庫の関係で同区間を含まない列車が10両で運転される場合もある。野球開催時には、西武球場前駅発の本川越行きの列車も運転される。土休日は深夜に1本だけ本川越発所沢行きの列車が存在する。
2019年3月15日まで国分寺線直通列車も運行されていたが、東村山駅周辺の高架化工事進捗に伴い、2019年3月16日のダイヤ改正で一時的に直通運転は休止された（完成は2024年度の予定）。これを補完する目的で、日中時間帯に毎時1本運転されていた西武新宿駅 - 新所沢駅間の区間運転は本川越駅発着となり、新宿線の全線運転は毎時3本に変更された。国分寺線は各駅のホーム有効長が6両編成のため、直通列車は6両編成で運転されていた。
以前は「普通」と称していた。2008年4月頃まで駅の案内表や案内では、「準急」以上の列車の各駅停車区間も含めて「各駅停車」「各停」として案内されていたが、列車に表示される種別表記は「普通」となっていた。だが、30000系や新2000系更新車に搭載されたフルカラーLED表示機において「各停」の表記がなされるようになったのを皮切りに、「各停」の表記を行うようになった。
かつては西武園駅発西武新宿駅行きの列車も運転されていたが、2011年12月24日に東村山駅で脱線事故が発生し、その後運転が休止された。また2012年6月30日のダイヤ改正までは萩山駅で切り離しする10両編成の上石神井駅発拝島駅・西武遊園地駅行きも存在した。
種別色は灰色である。
快速
快速は1993年12月6日のダイヤ改正から2001年12月のダイヤ改正まで存在した種別。通勤急行（前述）と同様に、それまで運転されていた平日朝ラッシュ時の千鳥停車の急行の停車駅を明確にする目的で運転された。上りのみの設定で、拝島駅・西武遊園地駅 - 西武新宿駅間に9本運転され、停車駅は田無駅までの各駅・鷺ノ宮駅・高田馬場駅・西武新宿駅であった。田無駅 - 高田馬場駅間で上石神井駅を通過して鷺ノ宮駅に停車するという、当時の通勤急行とは千鳥停車になるダイヤだったが、その後当時の通勤急行は停車駅の変更がなされ、当種別は急行に統合され消滅した。ただし方向幕は現在も快速が運行されている池袋線と共通のため、新幕に交換された2012年6月現在でも快速幕がほかの種別や行先に置き換えられたりせず存在している。なお、2001年12月のダイヤ改正以降は、田無駅 - 高田馬場駅間で千鳥停車となる種別は運行されていない。
新駅構想
国鉄新宿駅乗り入れの際に、高田馬場駅 - 新宿駅間に「西武大久保駅」ができる予定であった。
また、新宿大衆駅ビル開業後も、地下路線を利用して国鉄新宿駅に乗り入れる構想を捨てていなかった（地下急行線計画とは別である）。
複々線構想
バブル景気期、新宿線は利用客のさらなる伸びが見込まれ、飽和状態にあった輸送力状況を打開する切り札として、上石神井 - 西武新宿間を複々線化する構想が何度も持ち上がっていた。在来線直下の地下40メートル-60メートルを掘削して地下線を増線し、工期と費用の点から地下線は高田馬場と西武新宿の二駅のみの急行線とする計画が事業化されることになった。地下線の西武新宿駅ホームは新宿駅寄りに設け、他線との乗り換えを改善する計画もあった。
この計画は、1987年12月に特定都市鉄道整備事業計画の認定を受け、翌88年9月に運輸大臣の認可が下り、特定都市鉄道整備積立金制度導入による運賃加算も行われた。シールド工法によるトンネルの調査設計は日本鉄道建設公団に依託され、工事は部分的に着手された。ところが技術上の問題で工事費用が膨らみ、景気減退や少子高齢化を背景とした見込み利用者数の減少、輸送人数に応じた避難経路を確保するための建設費高騰もあり、1995年1月になって計画は無期延期となり、事実上撤回された。その際、積立金として加算された分は、特別減算を実施して運賃の一時的な値下げが実施された。代わりに、新宿線の線形改良・ホーム改良工事等が実施されている。2019年に東京都は計画を廃止するための都市計画素案を作成した。これにより複々線化計画は正式に中止となる。
実施箇所
中井駅 - 野方駅間と東村山駅付近の2か所で、連続立体交差事業が行われている。このうち、中井駅 - 野方駅間は地下化方式で進められている。2013年4月1日付で国土交通省から都市計画事業の認可を取得した時点では、2020年度に事業を完了する予定であったが、2019年7月1日に行われた中野区議会本会議の第2回定例会によると、事業区間内において用地取得に協力が得られていない箇所があることと駅の地下部分を構築する工事やシールドマシンによるトンネル工事を進めているため、2020年度までに事業を完了するのは難しい状況にあるとされている。今後、事業主体である東京都と鉄道事業者である西武鉄道は事業工程を精査し、これを基に東京都は事業認可の変更手続きを進めていく予定である。
東村山駅付近は高架化方式で、2024年度に事業を完了する予定。
準備および検討箇所
野方駅 - 井荻駅間と井荻駅 - 西武柳沢駅間（高架化方式）の2か所が、事業準備区間となっている。このうち、井荻駅 - 西武柳沢駅間については、2020年度に都市計画の決定を進め、2021年度から2022年度にかけて国への事業認可申請を目指す。その後、2023年度に事業を着工し、2038年度に完了する予定。
このほかに、田無駅 - 花小金井駅間が検討対象区間となっている。
東京メトロ東西線相互直通運転について
中野区議会は2015年3月9日に、中井駅 - 野方駅間の地下化工事に合わせた、東京メトロ東西線との相互直通運転に関する資料を公開した。現状の高田馬場駅は、新宿線ホームが地上2階に対し、東西線ホームが地下2階にあるため、乗り換えに多くの時間を費やしてしまうこと、さらには、高田馬場駅利用者にはJR山手線に乗り換える人もいるため、ラッシュ時に相当混雑していることなど、多くの問題を抱えていることなどを理由として、東西線との相互直通運転についても「実現に向け取り組んでいく」としている。
事件
西武新宿線では、痴漢の冤罪事件が2000年に1件・2003年には2件発生し、報道されるだけで少なくとも3件の痴漢冤罪事件が起きている。そのため、これら1つ1つの冤罪事件について発生した順に「西武新宿線第X事件」と呼んで区別されることが多いほか、事件の発生場所がいずれも高田馬場駅であることから、「高田馬場痴漢冤罪事件」とも言われる。