平日は新宿駅 - 池袋駅間において、朝夕ラッシュ時約1分半 - 2分間隔（日本一の高密度運転間隔）、日中4分間隔で運行されている。池袋駅 - 荻窪駅間の直通運転と、池袋駅 - 方南町駅間の支線直通運転を基本とする（日中は概ね20分に1本が池袋駅 - 方南町駅間区間運転）。朝夕と深夜には車両基地への入出庫のため池袋駅 - 茗荷谷駅や中野富士見町駅・新宿三丁目駅・中野坂上駅が始発・終着となる列車が設定されている。大晦日から元旦の終夜運転は池袋駅 - 荻窪駅間の全線で実施される。後楽園駅が最寄りの東京ドームでコンサートイベントが行われることから、2010年代前半よりその対応として、一部時間帯で終夜運転列車を増発している。この増発列車の一部は池袋駅 - 銀座駅間の運転であるため、終夜運転実施時の年1回のみではあるが、銀座駅発着が設定されている（銀座駅では非常渡り線を使用して折り返し）。なお、銀座駅発着は2019年の台風19号で銀座駅 - 荻窪駅間で折り返し運転が行われた際にも設定された。車両は2000系と02系の本線用6両編成を使用する。
山手線の新宿駅 - 池袋駅間が開いたU字型の路線のため、山手線内部での比較的短距離の流動が多く、支線以外の路線は山手線と似たダイヤ構成になっており、本線と支線の列車は中野坂上駅で相互連絡するようにダイヤが組まれている。全線を通した所要時分は本線で49分40秒、支線では6分25秒となっている。平日朝ラッシュ時・夕ラッシュ時は自動放送の中で乗り換え放送が省略される（英語放送も省略されていたが、自動放送更新時にラッシュ時にも流れるようになった）。
本路線は、ほぼすべての区間が開削工法によって建設されているが、霞ケ関 - 赤坂見附間の 230 m ほどの区間は日本の地下鉄としては初めてシールド工法で掘削を実施した。これは霞ケ関駅の付近のトンネルは約15 mと深く、当時の開削工法では建設が困難であったためである。掘削にあたっては、最初に側壁導坑を築造し、それを土台に半円形のルーフシールドマシンで掘削するものである。この構造は「半円形ルーフシールドトンネル」と呼ばれるものであるが、その後は円形シールド工法が主流となったため、この方式による掘削は駅ホーム部で採用例があるのみで、駅間では行われていない。
本当に偉大な編集長は記者を守り戦ってくれる。政治雑誌『ニュー・リパブリック』の若い記者であるスティーブン・グラス（ヘイデン・クリステンセン）は母校の教室で恩師と後輩たちに、記者としての仕事ぶりを語る。「人が感動したり怖がるものを探し、当事者の目線で記事を書く」と述べるグラスは他社から記事の執筆依頼が来るような売れっ子であり、彼の書く記事は斬新な切り口で人気を集め、気配りのきく人柄から同僚達からも高く評価されていた。ある日、部下たちからの信頼が厚かった編集長のマイケル・ケリー（ハンク・アザリア）がリパブリックの社長とのいざこざが元で解雇されてしまう。後任にはグラス達の元同僚であるチャック・レーン（ピーター・サースガード）が決まるが、記者としての能力は平凡で人望も薄いレーンに、グラスを始めとする記者たちは快く思っていなかった。それから数か月後、グラスは少年ハッカーが大手コンピューターメーカーを恫喝して取り入り、社員として雇われた上に多額の報酬を得たという内容の「ハッカー天国」という記事を掲載する。この記事を目にしたインターネットマガジン『フォーブス・デジタル・ツール』の編集長は驚き、政治誌に出し抜かれたと憤慨し、何故このような特ダネを見逃したのかと部下の記者アダム・ペネンバーグ（スティーヴ・ザーン）に調査をさせる。そこでペネンバーグはその記事に登場するハッカーの少年や、恫喝されたコンピューターメーカーはおろか、記事内に登場する人物、会社すべてが実際には存在しない全くのでたらめであることを突き止める。事の顛末を知ったレーンはグラスを詰問し、彼からそのコンピューターメーカーの電話番号やHPアドレス、記事内の人物の連絡先電話番号などを聞き出すが、それも後にペネンバーグらフォーブスの記者たちの電話取材によってそれらがでっちあげであることを突き止められてしまう。レーンはグラスに事の真相を明かすよう追及するが、グラスは情報提供者のハッカーからだまされて鵜呑みにしてしまったことは認めたものの、逆にレーンに対し他社から吊るし上げられたのに何故かばってくれなかったのか、すべては自分が前編集長マイケルに対して忠臣者であったことからの嫌がらせだと憤慨する。日頃からレーンに不信感を抱いていた同僚たちも同じ思いで、レーンがグラスの記者生命だけは絶たないようにフォーブスの編集長に掛け合うなど手を尽していたことも知らずに、このようなことは起こりうるとグラスをかばい、停職という厳しい処分を行おうとするレーンに冷たい態度をとる。レーンがより詳しい事の顛末を探るため調査をしていくと、グラスが取材に行ったとされる記事内に書かれていた場所は取材当日は閉鎖されていたなど、グラス自身が記事の内容を捏造していたという証拠が出る。挙句、調査中にレーンに電話してきたコンピューターメーカーの社長とされる男は、グラスをだましたとされるハッカーではなく、グラスのパロアルトに住む弟だと同僚記者の発言から悟る。レーンがグラスのパソコンや雑誌のバックナンバーなどを徹底的に調べた結果、｢ハッカー天国」は一からグラスが完全に捏造した記事であるだけでなく、ケリーが編集長を務めていた時期からグラスが記事の捏造行為を繰り返していたことが判明する。あまりの行いに、見かねたレーンはグラスを即時解雇するが、それを知ったグラス信者のケイトリンは、グラスは神経的に参っているのに、なぜ追い打ちをかけるようなことをするのかとレーンを非難する。そんな彼女にレーンはグラスが日常的に記事の捏造を行なっていたこと、グラスの処分を穏便に済ますために最大限の努力を尽くしてきたことを告白する。そして何故今までそれが見逃されて来たのかといえば、彼の記事が「面白いから」であると認める。翌日、同僚記者全員に事実を説明しようと出社したレーンだったが、会議室の机には同僚記者がグラスの捏造を認め、全員が署名した謝罪文書が置かれていた。驚くレーンを一同は拍手で歓待する。一方、母校で恩師と後輩たちに語っていたグラスも、同じように大きな喝采を受けるが、実は彼が佇んでいたその場所には誰も居なかったのだった。