東横線複々線化事業に伴い、2000年8月6日に目蒲線を多摩川駅（同日「多摩川園駅」から改称）を境に分割した上で、目黒側の列車が東横線の複々線部分を武蔵小杉駅まで走る「目黒線」が誕生した。一方、多摩川駅 - 蒲田駅間は区間運転化され「東急多摩川線」となった。同年9月26日からは営団地下鉄（帝都高速度交通営団、現・東京地下鉄）南北線および都営三田線との相互直通運転を開始し、さらに翌2001年3月28日からは埼玉高速鉄道線開業および同線と南北線との相互直通運転開始に伴い、本路線も南北線を介して埼玉高速鉄道線との相互直通運転を開始した。この際、東京急行電鉄所属車両が営業運転列車としては初めて埼玉県内を走行することになった。 さらに、不動前駅から洗足駅間の地下化が行われた後、2006年9月25日からは急行運転も開始された。目黒駅から武蔵小杉駅までの日中の所要時間は、各駅停車の17分から短縮され13分である。この急行は、東急では初のワンマン運転を行う優等列車でもある（2009年現在も東急唯一のワンマン運転急行）。2008年6月22日、武蔵小杉駅から日吉駅まで延伸開業した。
目黒線の目黒駅から多摩川駅（旧多摩川園駅）の間は、かつては目蒲線の一部であったが、東横線のバイパス路線として整備して同線の混雑を緩和するため、目蒲線を目黒駅 - 多摩川園駅間と多摩川園駅 - 蒲田駅間に分割し、前者を大規模に改良し、さらに東横線の多摩川 - 日吉を複々線化して前者と接続する工事が行われることになった。
目黒駅から武蔵小山駅、大岡山駅、田園調布駅を経て日吉駅へ向かう路線である。田園調布駅 - 日吉駅間は東横線の複々線区間に含まれるため同区間は東横線に属し、線路戸籍上の目黒線は目黒駅 - 田園調布駅間となる。本路線のほとんどは道路との立体交差化が行われており、踏切がある区間は大岡山 - 奥沢間の4箇所、奥沢 - 田園調布間の2箇所、武蔵小杉 - 元住吉間の1箇所の合計7箇所のみとなっている。田園調布駅からは東横線の複々線内側2線を通り、同線と並走して日吉駅に至る。営業運転される列車は全列車20m車両6両編成である。全駅にホームドアが設置されており、運転士が列車の運転と列車のドアとホームドアの開閉を行うワンマン運転が行われている。車両側には定位置停止装置（TASC）が搭載されており、駅構内とその手前には、TASCの位置補正用と定位置停止用の地上子が設置されており、駅での停車時には、TASCによるブレーキが列車に掛かるようになっている。その他にも、車両側には、ホームに設置された監視カメラの映像を、ホームの先端側に設置された送信機からミリ波帯の電波で送信して、それを先頭車に搭載された受信機で受信した後、車両側に設置されたモニター画面でそれを見ることができる車上ITV（車上モニター画面）を運転台上部に装備しており、ドアの開閉時の際の監視に使用される。目黒線を名乗っているが、目黒区を走行する区間は短く、同区に所在する駅は洗足駅のみ（大岡山駅は大田区に所在するが目黒区にまたがる）。目黒駅は品川区にある。目黒駅から地下鉄線への相互直通運転を実施しており、東京地下鉄（東京メトロ）南北線・埼玉高速鉄道線（埼玉スタジアム線）に乗り入れる系統と東京都交通局の都営地下鉄三田線に乗り入れる系統の2種類がある。なお、両系統とも地下鉄線内白金台駅・白金高輪駅までは同一の経路を走行する。
当初は現地で埋葬されていたが、ソヴィエト連邦崩壊後、遺族や関係者及びウズベキスタン政府の手により、市営ヤッカサライ墓地内の日本人墓地がウズベキスタンで亡くなった日本人抑留者の共同墓地として再整備された。ヤッカサライ墓地に日本人が埋葬される経緯は、ヤッカサライ墓地の横を走る鉄道工事に従事していた日本人抑留者が病気で亡くなり、この墓地に埋葬したことから徐々に亡くなった抑留者が埋葬されるようになったという。他方、ソヴィエト連邦政府は、1958年、ウズベキスタンに存在した15か所の抑留日本人墓地の閉鎖を命令した。そして、日本人墓地は一共和国あたり2か所とし、それ以外は更地にせよとの内容であった。ウズベキスタンではカガンとコーカンドの２地区が日本人抑留者の墓地として維持監理を続けられた。1978年になり、帰国した抑留者及び抑留者の縁戚関係者の渡航が解禁され、墓地整備の下地が作られた。本格的な抑留日本人墓地整備は1983年に福島県ウズベキスタン文化経済友好協会親善使節団がウズベキスタンを訪問したことに始まる。10年後の1990年、交流10周年記念共同事業として福島県ウズベキスタン文化経済友好協会親善使節団が再訪し、タシケント日本人墓地に鎮魂碑が建立された。ウズベキスタン独立後の1994年には、アングレンの日本人墓地が整備され、翌1995年、タシケント日本人墓地にウズベキスタン全土の日本人合同の鎮魂碑が建立された。また、2001年には中山成彬衆議院議員が中心となり「日本人墓地整備と鎮魂の碑建設発起人の会」が設立され、日本全国で募金活動が行なわれた。2002年、ウズベキスタンの全ての日本人墓地の整備が完了し、5月25日にはベガバード市の日本人墓地において鎮魂碑の除幕式が、タシケント市では日本人抑留者記念碑除幕式が行われた。日本からは中山議員及び自民党政務調査会長（当時）であった麻生太郎元首相が出席した。2009年には平岡大使がアングレン、コーカンド、フェルガナ、アンディジャンの日本人墓地への墓参を行っている。