2018年3月17日のダイヤ改正から新宿駅発着として平日朝夕下り、土休日朝下り・上りと夜下りに設定されている。新宿駅 - 唐木田駅間の途中停車駅は、代々木上原駅・下北沢駅・登戸駅・新百合ヶ丘駅・栗平駅・小田急永山駅・小田急多摩センター駅。列車番号は3700番台である。
2018年3月17日のダイヤ改正時点で、快速急行・通勤急行・急行・各駅停車の4種類の列車種別が存在する。途中駅に待避・折り返しの設備がないため、線内で先行列車を追い越す列車、途中駅で折り返す列車は設定されていない。2018年3月17日より快速急行・通勤急行及び小田急多摩センター始発列車が設定されている。
2016年3月26日には新宿方面とを結ぶ区間準急を廃止するとともに千代田線直通の急行が増発され、多摩線と千代田線との結びつきはより強いものとなっていたが、小田原線の複々線化完成に伴う2018年3月のダイヤ改正では一変する。この改正では、朝の通勤時間帯において小田急多摩センター - 新宿間を最短33分、ラッシュピーク時でも40分で結ぶ通勤急行の新設や、帰宅時間帯における新宿発の快速急行の新設、新百合ヶ丘駅における小田原線優等列車との接続強化など、多摩線の大幅な利便性向上を打ち出したものとされたが、その一方で千代田線直通については急行および多摩急行は廃止され（日中の急行は新宿方面に変更）、他の千代田線直通列車も朝の北綾瀬発各駅停車の1本のみを残して全廃となり、多摩線の優等列車は千代田線直通から新宿方面直通に転換されることとなった。
2011年3月11日に発生した東日本大震災による福島第一原子力発電所などの停止にともない実施された輪番停電（計画停電）では、小田急電鉄のほか多くの鉄道路線でも運休などの対応が取られたが、多摩線では小田原線と比べ利用者が少ないことなどから、初日の3月14日は終日運休（小田原線の新宿-経堂以外も終日運休）。2日目の3月15日は11:30 - 22:30の間運休（他路線は19:30には運転開始）となった。他の運休路線と異なり都心通勤通学圏内である多摩線の利用客を軽視したと取られる対応に対して多くの質問（クレーム）がよせられたようで、3日目の3月16日からは多摩線を終日運行（他路線は3月18日まで運休あり）とし、同日に小田急電鉄のホームページに、他の運休区間などもあわせ理解を求める文章を掲載した。
2000年12月2日、営団地下鉄（現：東京地下鉄）千代田線への相互乗り入れを行う急行が新設され、当初の「東京9号線」構想が実現した。その後も小田原線での複々線化などの改良が進むなか、2002年3月23日には千代田線直通の多摩急行が新設、2004年12月11日にははるひ野駅開業と同時に新宿方面とを結ぶ区間準急が設定された。先述した運賃についても加算運賃の廃止や旅客運賃の値下げから大人初乗り運賃が京王より安い120円となった。このように相模原線に対する多摩線の競争力が増すことで、多摩線の劣勢が鮮明だった多摩センター駅においても、多摩線の乗降客数が相模原線のそれの半数程度まで追い上げる結果となっている。
フランス商船が遊休状態になっているのに目を付けたのが、船舶不足に悩んでいた日本政府であった。日本の外務省は、第二次世界大戦参戦前の1941年（昭和16年）初頭までには、ヴィシーフランス政府・仏印植民地政府との間で遊休フランス商船の一括借り上げの交渉を開始していた。フランス側のジャン・ドクー（en）仏印総督は、イギリス海軍による拿捕のおそれや、仏印とマダガスカル島や上海との自国航路の維持に必要なこと、フランス海軍が徴用中であることなどを理由に難色を示し、日本軍の南部仏印進駐や1941年12月の太平洋戦争勃発後も交渉が続いた。しだいにフランス側は譲歩し、1942年（昭和17年）2月25日には、原田駐仏代理大使とヴィシー本国政府との間で、フランス船旗下でのチャーター方式とし、仏印・上海・日本間航路専用、中立義務違反となる軍需輸送には用いないとする旨の基本合意ができ、覚書が作成されるに至った。ところが、日仏の交渉を知ったアメリカ政府は、ヴィシーフランス政府に対して抗議を行った。マルティニークなどアメリカ州内のフランス植民地の占領を恐れたヴィシー本国政府は、公然と傭船契約を結ぶことを避け、名目上は日本側の一方的な徴発の形式とすることを日本側に提案した。この提案を受ける形で、4月6日、日本側は、ドクー総督に対し、4月10日を交渉期限として徴発に移ることを通告し、4月11日に日本海軍が徴用実施を通告した。ドクー総督ら仏印当局はなおも不服としたが、本国政府からの徴発を容認する訓令を受けて引渡に応じた。その後、傭船料など条件面の交渉が行われ、6月15日に特設砲艦永福丸砲艦長の堀内馨海軍大佐と仏印海軍司令官レジ・ベランジェ（Régis Bérenger）少将により日仏海軍の「徴用実施基礎協定」が締結された。チャーターではなく乗員無しの裸傭船の契約形態となり、戦災などによる喪失時には代船を返還するものとされた。アラミスは無期限貸与となり、傭船料は月額16万8千余円と定められている。