どの列車がどの車両で運転されるかは列車番号末尾のアルファベットにより区別しており、「K」が東急の車両（01K - 29K）、「T」が都営地下鉄の車両（31T以降の奇数）、「S」が東京地下鉄の車両（30S - 78Sの偶数）、「M」が埼玉高速鉄道の車両（80M以降の偶数）となっている。列車番号は『MY LINE 東京時刻表』（交通新聞社）の列車番号欄にも掲載されている。ただし、三田線の列車番号は下り（西高島平方）が奇数、上り（目黒・日吉方）が偶数となっており、例えば「31T」運用の場合は下り列車は「xx31T」、上り列車は「xx30T」となる。また、6桁の数字で表記されている目黒線内の列車番号では上1桁が車両の所属元を表し、2が東急の車両、3が東京地下鉄の車両、4が都営地下鉄の車両、5が埼玉高速鉄道の車両となっている。次の上2桁が運用番号を表す（例えば「01K」の場合は目黒線内は「201」となる）。なお、東急車両の運用は三田線運用と南北線・埼玉高速鉄道線運用とで別々に組まれ、奇数番号が三田線運用、偶数番号が南北線・埼玉高速鉄道線運用となっている。また各社局間の走行距離調整の関係上、東急車両は目黒線に乗り入れない列車（白金高輪折り返しなど）にも使用されている。
前述したように、旧目蒲線が分割されて本路線と東急多摩川線が誕生したが、本路線は将来的に現行の20m車両6両編成から同8両編成への増強が計画されており、多くの駅では8両編成の運転を想定した準備工事などがなされている（乗り入れ先の南北線・埼玉高速鉄道線・三田線も同様）。東急は相鉄との直通運転にあわせて目黒線を8両編成とする意向を示し、また車両の増備についての検討も開始した。2022年上期からの8両運転開始が予定されている。また、目黒線の直通運転先で相鉄との直通運転が計画されている都営地下鉄三田線については2018年6月に、同じく直通運転先の東京メトロ南北線および埼玉高速鉄道線についても2019年3月に、それぞれ8両編成に増強することを発表している。
日吉駅から新綱島駅（仮称・綱島駅付近の綱島街道直下に設置予定）、新横浜駅までを結ぶ東急新横浜線、新横浜駅から相模鉄道羽沢横浜国大駅（JR東海道貨物線横浜羽沢駅付近に設置予定）までを結ぶ相鉄新横浜線からなる約10キロの「相鉄・東急直通線」をほぼ全区間地下式で建設し、そこから相鉄が別途計画している「相鉄・JR直通線」（相鉄新横浜線羽沢横浜国大駅 - 相鉄本線西谷駅間）を介して相鉄線と東急線との相互直通運転を行う計画がある。現在相鉄側では各駅の改良工事が行われ、工事状況がウェブサイトでも確認できる。また相鉄側は東急線への直通対応車両として20000系が計画されている。さらに相鉄への乗り入れを計画している東京都交通局でも都営地下鉄三田線の6300形の1・2次車の置き換え用に相鉄線直通対応の新型車両の導入が、同形式の3次車B修繕工事実施の際に相鉄乗り入れ対応工事を同時施工することがそれぞれ計画されている。一方で東急側の相鉄への直通車両は新形の3020系を製造して相鉄-東急-都営地下鉄3者直通運転に対応させる。東急目黒線所属の既存車両（3000系と5080系）を相鉄直通対応を実施するかどうかについては未定である。
In diesem Wetter, in diesem Braus,Nie hätt ich gesendet die Kinder hinaus;Man hat sie getragen, getragen hinaus.Ich durfte nichts dazu sagen.In diesem Wetter, in diesem Saus,Nie hätt ich gelassen die Kinder hinaus.Ich fürchtete, sie erkranken,Das sind nun eitle Gedanken.In diesem Wetter, in diesem Graus,Nie hätt ich gelassen die Kinder hinaus.Ich sorgte, sie stürben morgen,Das ist nun nicht zu besorgen.In diesem Wetter, in diesem Graus,Nie hätt ich gesendet die Kinder hinaus.Man hat sie hinaus getragen.Ich durfte nichts dazu sagen.In diesem Wetter, in diesem Saus,in diesem Braus,Sie ruhn als wie in der Mutter Haus,Von keinem Sturm erschrecket,Von Gottes Hand bedecket.Sie ruhn wie in der Mutter Haus.こんな嵐のような天候の中で私は決して子供たちを外に出したりはしない。誰かが子供らを戸外へつれて行った。私はそれに対して口出すことさえ許されなかった。こんなに荒れ狂う天候の中で私は決して子供たちを戸外に送り出しはしない。私は子供らが病気になりはしないかと心配だった。今やそれはむなしい考えごとであった。こんな恐ろしい天候の中で私は決して子供らを外へ出したりはしない。私は子らが翌朝亡くなるのではと気がかりだった。それは今や心配することさえなくなった。こんな恐ろしい天候の中で私は決して子供らを戸外に送り出したりはしない。誰かが子供らを戸外へ連れ出したのだ。私はそれに対して口を挟むことさえ許されなかったのだ。こんな荒れ狂う天候の中でこんな嵐の中で彼女らはまるで生家にいるかのようにもうどんな嵐も驚くことなく神の手におおわれて彼女らはまるで生家にいるかのように