日中は久喜行と南栗橋行が2:1の割合で運転されており、一部の久喜発着列車は東武動物公園駅で南栗橋発着の日比谷線直通列車に接続している。直通運転を開始した2003年3月19日から2006年3月17日までは、日中は1時間あたり3本（内訳は東武動物公園行が2本、南栗橋行が1本）であった。日中の清澄白河駅折り返しの列車も1時間に4本設定されていたため、時間調整も頻繁に行われていた。2006年3月18日のダイヤ改正以降、早朝深夜と9時台をのぞき1時間に6本（10分間隔）となった。昼間時は南栗橋行と久喜行の急行が交互に運行されるようになった。時間帯やダイヤの都合により、北越谷駅（準急）・東武動物公園駅発着もある。直通列車は急行または準急（朝・夜間のみ運転）に限られる。2013年3月16日のダイヤ改正より、昼間時の行先が久喜行・久喜行・南栗橋行の30分サイクルに変更となり、平日夜間帯の急行の運転時間帯も拡大された。現在東武からの日中の急行以下の速達列車は全列車が半蔵門線直通である。
日中は1時間に急行4本、準急2本、各駅停車6本の計12本（各駅停車2本が長津田行以外は全て中央林間行）が運行されている。平日を中心に長津田行があるほか、鷺沼行も少数設定されている。田園都市線には当線に乗り入れない列車もあり、その一部は当線の渋谷 - 半蔵門間を回送の上、半蔵門駅の引上線で折返す。この回送費用は東急負担で行われている。東急5000系のうち15編成の4・5・8号車には6扉・座席格納車両が連結されていた。平日朝の押上方面の電車では田園都市線の始発駅から半蔵門線の半蔵門まで6扉車の座席が使用できなかった。ホームドア設置の兼ね合いから6扉車は順次4扉車に置き換えられ、2017年4月20日を最後に廃止された。
東急電鉄・東武鉄道と3社相互直通運転をしている。半蔵門線を挟んで東急側は渋谷駅から田園都市線の中央林間駅まで、東武側は押上駅から東武伊勢崎線（東武スカイツリーライン）経由で伊勢崎線久喜駅および日光線南栗橋駅までそれぞれ運転される。運行系統上では田園都市線と一体的となっており、半蔵門線の渋谷駅発着の列車は存在せず、押上方面は平日始発の清澄白河発東武動物公園行と半蔵門発押上行、渋谷方面は平日最終の押上発水天宮前行を除くすべての列車が田園都市線と直通している。列車は全て各駅停車であるが、線内では乗り入れ先の列車種別（急行・準急・各駅停車）で案内している。この種別は東急・東武の間で共通するものではなくそれぞれの線内で独立したものであり、渋谷駅・押上駅到着の時点で線内または乗り入れ先の種別に変更している（変更がない列車もある）。平日朝ラッシュ時は約2分間隔で運行されている。日中時間帯は5分間隔（1時間に12本）で運行されている。この時間帯の渋谷方面は基本的に中央林間行である。押上方面は、押上行と東武スカイツリーライン直通列車（急行）が交互に運転されている。朝の押上方面には、半蔵門駅・清澄白河駅発着列車もある。日中の清澄白河駅発着の列車は2009年6月6日のダイヤ改正で廃止された。車両基地は自社路線内に用地を確保できなかったため、田園都市線の鷺沼駅の横に鷺沼検車区として置かれている。
『ヒュプネロトマキア・ポリフィリ』のテーマは、クアトロチェント（15世紀）の貴族たちに受けの良かった「宮廷の愛」、騎士道物語の伝統に沿ったものである。本文は奇怪なラテン語由来のイタリア語、ラテン語とギリシャ語を語源とする新語で書かれている。そこには何の説明もない。他にも、イタリア語が語源の語や、挿絵にはアラビア語やヘブライ語が使われている。作者は自分の使おうとした語が不正確な時にも新語を作った（古代エジプトの神聖文字をいくつか使っているが、それらは間違っている）。物語の舞台は1467年で、主人公ポリフィーロ（ギリシャ語：Polú 「多くを」+Philos 「愛する者」）は恋人のポーリア（「多くのもの」という意味）を探して、牧歌的・古典的な夢の世界をさまよう。作者のスタイルは凝りに凝っている。インキュナブラの中でもその美しさ、とくに、タイポグラフィの質と明瞭さは有名である。活字書体はフランチェスコ・グリッフォ（Francesco Griffo）の作で、1495年にアルドゥスがピエトロ・ベンボの『De Aetna』で最初に使ったことから、1928年にスタンリー・モリソンが復刻した時、「Bembo」という活字名になった。テキストが熱を帯びて語るポリフィーロの冒険の場面、建築物を描いた168の美しい木版画の挿絵はこの本の見所である。殺風景であると同時に華麗であるライン・アート（Line art）の集大成と言えるものである。心理学者カール・グスタフ・ユングはこの本を賞賛したが、この本の夢のイメージはユングの「元型」理論を予言するものだと言われている。木版画挿絵のスタイルは、オーブリー・ビアズリー、ウォルター・クレイン、ロバート・アニング・ベル（Robert Anning Bell）といった19世紀後期のイングランドのイラストレーターたちに影響を与えた。空想的でありながら、古代建築や錬金術、植物学といった幅広い教養を背景に描かれており、当時の人にとって、古代異世界に関する一種の百科事典的存在でもあった。