相互直通運転時には従来、車両保有会社が乗り入れ先の路線に対応するように改造することが暗黙の合意の基、“相直の精神”とされてきた 。副都心線との相互直通運転にあたっては、当然ながら東武鉄道・西武鉄道の車両にも同線に対応するATO装置などのワンマン運転機器の設置に伴う車両改造工事が必要となり、2社に対する依頼が必要となった。しかし、東武と西武からは「副都心線に必要なATO装置・ワンマン運転機器は、東京地下鉄の経営効率化のためであり、自社線内では不要なものである。改造費用の全額負担はできず、東京地下鉄の負担とするべき」と主張された。その後、東京地下鉄・東武・西武の3社で協議の結果「副都心線のワンマン運転に必要な車両改造の初期費用は東京地下鉄が負担する。対応機器は車両保有会社が所有するが、機器の使用権利は東京地下鉄に属する」という条件の元に2社の車両の副都心線対応改造が実施されることになった。
西武ドームにおいてプロ野球の試合など催し物が開催される場合は、小手指行きの急行（西武線内快速急行）を西武球場前行きの急行（西武線内快速）に変更する。この場合、代替としてひばりヶ丘発の快速急行小手指行きが運行され、「Fライナー」を名乗らない。
2017年3月25日より土休日に運行を開始した座席指定列車。みなとみらい線 元町・中華街駅 - 西武秩父線 西武秩父駅間で運行される。乗車には座席指定券が必要で、途中渋谷駅・新宿三丁目駅・池袋駅にのみ停車する（他に乗務員交代のため小竹向原駅に運転停車する）が、副都心線内のみの座席指定券は発行されない。また、池袋駅からの乗車は出来ない。地下鉄線内で座席指定列車の運行は千代田線で運行されている｢特急ロマンスカー｣以来2例目となる。
副都心線では以下の種別の列車が運転されている。 副都心線内の現行の停車駅は 「駅一覧」を参照。S-TRAINを含め当線内でも速達運転を行う優等種別が日本の地下鉄で初めて3種類運行されている。
2008年6月14日の開業当初は和光市駅で東武東上線森林公園駅まで直通運転を行い、2019年3月16日のダイヤ改正からは小川町駅まで直通運転を行っている。急行・通勤急行・各駅停車ともに、東上線内においては各駅に停車する「普通」として運行していたが2016年3月26日以降は日中時に副都心線急行は「急行」で運転され、土休日の一部列車は「快速急行」として運転されている。2016年3月26日のダイヤ改正までは基本的に川越市駅発着列車が運転され、森林公園駅発着列車は駅構内に隣接する森林公園検修区への出入庫を兼ねた朝と夜間の東武車に限られていた。2013年3月16日のダイヤ改正以降、日中は川越市駅発着の急行（東上線内普通）が30分間隔で運転されていたが、2016年3月26日のダイヤ改正以降は、森林公園駅発着（東上線内急行）に変更された。10両で運転されている。2019年3月16日のダイヤ改正より、土休日ダイヤのみ朝の一部列車が小川町駅発着となった。平日ダイヤのみ、朝と夕方以降の一部列車に志木駅発着の列車が存在する。
副都心線は定期ダイヤにおいて、急行と通勤急行は全列車10両編成、各駅停車は大部分が8両編成である。10両編成と8両編成とで電車の停止位置が異なることから、駅の時刻表・発車標・接近放送において列車の編成両数も案内されている。また、乗り入れ先である渋谷駅からの東急東横線、小竹向原駅からの西武線（西武有楽町線経由池袋線）、和光市駅からの東武東上線内において種別が変わる列車が多数設定されているため、乗り入れ先の路線内の種別も案内される。副都心線の終点である渋谷駅からは全列車が東急東横線に乗り入れる。さらに、そのうち大半の列車は東横線の終着駅である横浜駅から先、横浜高速鉄道みなとみらい線元町・中華街駅まで乗り入れる。なお、東横線・みなとみらい線には副都心線に乗り入れない運用（渋谷駅折り返し）が終日にわたり多数設定されている。日中は30分サイクルのパターンダイヤで運行されている。その間に急行が15分間隔で2本、各駅停車は間隔不定で5本あり、このうち1本は池袋駅で東横線方面に折り返す。
名鉄では元来、速達サービスを行う特急に対して特別な料金を徴収していなかったが、1970年ごろより徐々に座席を確保（指定）した「座席指定特急」の運行本数が増加し、車両も7000系などが共通で使用されたため、従来の運賃のみで乗車できる「特急」（「一般特急」と通称された）との区別が付きにくく、誤乗による『座席指定料金』の徴収が地元紙や一部革新系の国会議員に指摘されるなど、当時の社会問題ともなっていた。このため、1977年3月20日のダイヤ改正からは「特急」を「座席指定特急」のみに限定し、「一般特急」は「高速」という新種別に改められた。「一般特急」から変更された当初は名古屋本線、犬山線、常滑線など多くの路線に高速が設定されていたが、1982年3月改正以降は支線系統や区間運転列車が順次急行に格下げ・整理されたため、同改正以降は基本的に名古屋本線にのみ高速が設定されていた。しかし、1990年10月29日改正を機に特急政策が大幅に変更され、名古屋本線の特急のほとんどが指定席と一般席を併結して運行するようになり、一般席に相当する高速は再び特急に統合されて発展的に解消することとなった。以降、今日まで名鉄では「高速」という列車種別を使用していない。ちなみに種別板は「特急」（白地に赤文字・当時）に準ずる種別をイメージして、白地に青文字で「高速」（縦書き）、種別幕は急行と同じく、当初は白地に青の1文字「高」、その後、青地に白抜き「高」で表記し、従来車（6000系など）への追加も同様であった。また、パノラマカーの行先表示器（逆さ富士板・ブック式）の種別欄には「高」「速」を別々に印刷した縦に細長いシール（青地に黄文字）を「回」の位置に貼付（横書き）していた。