乗り入れ先の東京メトロ南北線・埼玉高速鉄道線・三田線内を含めた各駅に停車する。一部列車は武蔵小山駅で急行と接続する。終日において南北線・三田線に直通するが、早朝と夜間を中心に奥沢駅・武蔵小杉駅発着区間列車が数本設定されており、一部列車は目黒駅 - 日吉駅間のみ運転の線内折り返しとなる。また乗り入れ列車において日吉駅 - 浦和美園駅または鳩ヶ谷駅、日吉駅 - 西高島平駅の設定が多数だが、日吉駅、武蔵小杉駅、奥沢駅発着で南北線駒込駅、王子神谷駅、赤羽岩淵駅、埼玉高速鉄道線鳩ヶ谷駅、浦和美園駅、三田線高島平駅、西高島平駅発着の列車が設定されている。なお、乗り入れ先の南北線・三田線・埼玉高速鉄道線では「各停」表示を行わなかったが、最近は車両の更新に伴い行う場合もある。また、2018年3月30日のダイヤ改正後は鳩ヶ谷駅発着の一部列車が赤羽岩淵駅発着となり、さらに2019年3月16日改正で残った日中の鳩ヶ谷行きも赤羽岩淵駅発着となった。「みなとみらい号」は、2006年8月運転分まで各駅停車で運転していた。目黒線の各駅停車は、青色を使用する東横線とは異なり、基本的に緑色で表示されているが、最近は車両の更新に伴い青色を使用している車両もある。
2004年からは埼玉高速鉄道線浦和美園駅と三田線高島平駅より横浜高速みなとみらい線元町・中華街駅までの臨時急行列車「みなとみらい号」を運転している。なお、2006年8月運転分までは終点の武蔵小杉駅で東横線への転線を行っていたが、同年12月運転分からは武蔵小杉駅 - 日吉駅間の複々線（高架）化工事の影響で武蔵小杉駅からの転線ができなくなったため、田園調布駅での転線となった。その後目黒線が日吉駅に延長した2008年7月運転分より日吉駅での転線に変更となったものの、2011年の運転より再び田園調布駅での転線に変更した。また、2006年8月運転分までは、東横線とみなとみらい線内のみが急行運転だったが、同年12月運転分から目黒線内も急行運転に変更された。
所要時間は目黒駅 - 日吉駅間で最短16分。日中は1時間に4本運転されており、このうち1本が日吉駅 - 埼玉高速鉄道線浦和美園駅間、1本が日吉駅 - 南北線赤羽岩淵駅間、2本が日吉駅 - 都営三田線西高島平駅間の運転となる。2018年3月30日のダイヤ改正後は鳩ヶ谷駅発着の一部列車が赤羽岩淵駅発着となる。線内のみの列車は設定されておらず、すべて東京メトロ南北線・都営地下鉄三田線に直通する。早朝の1本を除き全列車が武蔵小山駅で各駅停車と接続するが、その際は原則として南北線直通列車と三田線直通列車が接続するようにダイヤが組まれている。大半の列車は日吉駅発着だが、ラッシュ時の一部列車は武蔵小杉駅発着となる。その他にも三田線高島平駅発着の列車や、南北線王子神谷行きの列車が設定されている。なお、乗り入れ先の南北線、埼玉高速鉄道線、三田線は目黒方面のみ「急行」表示する。以前は日中の急行は武蔵小杉駅にて東横線の特急列車に接続（日吉行き⇔元町・中華街方面、目黒方面⇔渋谷方面でそれぞれ接続）していた。これにより、目黒方面と元町・中華街方面との連絡の利便性が考慮されていたほか、特急の停車しない日吉駅から東横線渋谷方面、同じく特急の停車しない田園調布駅・多摩川駅から東横線元町・中華街方面への速達列車利用機会を補完する面も兼ねていた。ただし接続列車としては正式に案内しておらず、どちらかが遅れると接続を行わないこともあった。その後、2013年3月16日ダイヤ改正より、東横線と目黒線の並走区間において、到着時刻を意図的にずらすこととなったため、現在は東横特急（Fライナー）と目黒線急行の接続はしなくなっている。基本的に赤色で表記される。
事故当日の2015年7月26日、調布市長の長友貴樹がコメントを発表。「東京都に対して安全対策の徹底と自家用機の使用削減について強く要請してきたが、今回のような事故が起こったことは誠に遺憾」と抗議の意を示すとともに、「被災された方々に対しては、市として取り得る限りの支援をして参りたい」と事故被災者支援の意思を表明した。翌日の同年7月27日、調布市議会議長もコメントを発表。「交通不便地域である離島航空便の確保のため調布飛行場存続を受け入れてきたが、自家用機の事故により市民の生命が奪われた事故は極めて遺憾。到底看過することはできない」と強く抗議。また同年9月2日、調布市議会は墜落事故について東京都に抗議する決議を満場一致で可決した。さらに同年7月28日、調布飛行場の地元自治体である調布市、三鷹市、府中市の3市で緊急合同声明を発表。3市の市長による連名で、舛添要一東京都知事（当時）宛に「小型航空機墜落事故対応に関する、地元3市による東京都への緊急要請文」を提出し、調布飛行場の安全運行を求める立場の地元市として厳重に抗議するとともに、原因究明と再発防止、自家用機の離着陸の自粛、今後の自家用機の運航停止を視野に入れたさらなる削減などを求めた。2017年3月31日、日本エアロテックの航空法違反容疑による書類送検を受け、調布市、三鷹市、府中市の3市の市長が東京都を訪問。3市の市長による連名で、小池百合子東京都知事宛の「調布飛行場の航空法違反等への対応に関する要請文」を東京都港湾局長に提出した。「東京都と地元市との覚書に反する遊覧飛行が繰り返されていた事態は極めて遺憾であり、地元市および地元住民との信頼関係を損なうもので、都としての管理責任が問われる」と指摘した上で、調布飛行場の管理運営実態の徹底した調査・検証、万全な安全対策、厳格な管理運営、周辺住民の不安解消など必要な対応を図るよう強く要請した。