2003年3月19日には半蔵門線水天宮前駅 - 押上駅間延伸および同線と東武伊勢崎線・日光線の相互直通運転が開始された。田園都市線と半蔵門線は従来から相互直通運転を行っているため、田園都市線所属の8500系は田園都市線から半蔵門線・東武伊勢崎線を介して東武日光線の南栗橋駅まで乗り入れるようになった。また、2006年3月18日からは伊勢崎線の久喜駅まで乗り入れるようになった。この東武線直通に際しては、当初8500系全車に東武線用保安装置の追設で賄う予定だった。しかし、その後バリアフリー対応を推進していく方針となったため、2002年5月2日から2003年2月21日にかけて新型車両の5000系が投入されることとなった。これにより8601F・8602Fが廃車、5両編成+5両編成の8638F+8639F・8640F+8641Fが5両編成ずつに分割の上で大井町線に転籍した。大井町線に転籍した8638F+8639F・8640F+8641Fは8000系の8045F - 8051Fを置き換えた。また、同線転籍時には先頭車の貫通幌と営団ATCを撤去した。パンタグラフは当初、菱形（PT43形）のままだったが、後にシングルアーム化された。田園都市線に引き続き残った車両は、改修費を抑えるため、8603F - 8614FおよびVVVFインバータ制御装置を搭載した8642Fを除いた8615F - 8637Fに東武線直通対応の改修を行い、相互直通運転開始に備えた。その後、5000系6ドア車導入による車両不足を補うため、2004年度には8613Fと8614Fも東武線直通対応とされた。改修対象から外され、東武線直通非対応となった編成は識別のため非常扉に丸囲みの「K」のシールが貼付された。
1986年に投入された8638F+8639F・8640F+8641Fは、田園都市線と大井町線で予備車を共用できるよう5両編成+5両編成で製造され、しばらくの間大井町線でも使用された。そのため、この4編成の乗務員室ドアは普通の編成と違う仕様になっている。大井町線運用には主に8640F+8641Fを充当し、大井町線用方向幕、戸越公園駅・九品仏駅の両駅で使用するドア非扱いスイッチを装備している他、田園都市線のATC化後も東急形ATSを存置した。なお、大井町線運用の他にこどもの国線用7000系ワンマン運転対応車が検査入場した際にもツーマン運転で代走することもあった。
1977年4月7日の新玉川線開業時に東横線から6連11本が転用された。ほとんど地下区間での運用となることから、大半の編成が冷房準備車だった（編成表）。
8500系は1978年から1988年頃まで営団半蔵門線（当時）に貸し出された。外見上の区別がつかないが、車内のドア上にある路線図が営団のメトロネットワークだったことと、車内広告に営団地下鉄の広告が採用されていた。
デビュー前から同厩舎の実力馬レーヴミストラルと併せ馬を行い、仕上がりの良さが注目されていた。1月22日の新馬戦で岩田康誠を背にデビューし、逃げて直線は持ったまま9馬身差で大楽勝する衝撃の走りを見せた。2戦目のつばき賞(500万下)では、岩田が同日のフェブラリーステークス(GI)でエイシンバッケンに騎乗するため川田将雅が代役を務めた。単勝1.3倍の断然人気に推され、スローペースから逃げ込みを図るタガノアスワドを上がり3F33秒0の豪脚で交わし去り、最後は抑える余裕を見せてデビューから2連勝を飾った。3戦目のフラワーカップ(GIII)は2番手を追走し、4コーナーで先頭に立つとほぼ持ったままで後続に5馬身差をつける圧巻の走りを見せ、デビュー3連勝での重賞初制覇となった。勝ち時計1分48秒7は2006年にキストゥヘヴンがマークした1分48秒9を0秒2更新するレースレコードだった。桜花賞(GI)は中2週となるため回避し中3週で牡馬相手の皐月賞(GI)に出走することが決まった。皐月賞へのクラシック登録がなかったため、追加登録料200万円を払っての出走となったが、ヒデヒカリ以来69年ぶりの牝馬による皐月賞制覇が期待され、単勝2.4倍の1番人気に支持された。しかし直線で失速し7着に敗れた。レース後、調教師の高野友和は「今後は順調ならばダービーへ」とコメントしていたが、5月3日にはオークス(GI)に出走するか休養に入るかの二択であることが発表され、5月5日に馬体の回復の遅れからオークスには向かわず休養することが決まった。秋はローズステークス(GII)で復帰し、馬体重がプラス22kgと太め残りながらも1番人気に支持されたが、直線半ばで失速して6着に敗れた。秋華賞(GI)ではデビュー以来初めて1番人気の座を譲り、アエロリットに次ぐ2番人気となる。レースでは積極的に先行して逃げるカワキタエンカの後の2番手を追走するが、4コーナー手前でモズカッチャンに交わされるとズルズル後退し、13着と大敗した。レース後、鞍上の岩田は「反応がなかった。追ってからスッと行ってくれなかった。馬場もこたえたのか」とコメントした。続く一戦には初のマイル戦となるリゲルステークス(OP)を選択したが、またも直線で失速して9着に沈んだ。同レース後に右後肢を痛めていることがわかっていたが、12月20日になって右腸骨を骨折していることが判明し、長期休養に入った。