初台駅と幡ヶ谷駅はいずれも新線のみの駅であるため、京王線の電車は各駅停車も含め全ての電車が通過する（正確にはトンネルが異なるため経由しない）。京王線新宿駅では初台駅・幡ヶ谷駅へは「新線新宿駅」から乗るようにとの案内を行っている。京王線新宿駅と新線新宿駅は改札内で接続している同一駅であるが、旅客案内上呼称は使い分けられ、別々のホームで距離も離れている。 また調布以西から特急を利用して初台駅や幡ヶ谷駅に行く場合は、接続列車が都営地下鉄新宿線直通でない限り明大前駅・笹塚駅で2回乗り継ぐ必要がある。定期券の経路に新宿駅 - 笹塚駅間が含まれている場合は京王線・新線のどちらにも乗車でき、初台駅・幡ヶ谷駅・京王線新宿駅・新線新宿駅のいずれの駅での乗降も可能である（ただし新宿駅までの定期券で渋谷駅、渋谷駅までの定期券で新宿駅でも乗降できる通勤定期券「どっちーも」の後者の2区間目の場合は京王線新宿駅・新線新宿駅に限る）。
京王新線内はすべての列車が各駅に停車する。開通当初の都営新宿線直通開始前は新線新宿駅 - 京王多摩センター駅間の快速を除く各駅停車が京王新線のみの運行であったが、2015年1月現在、京王新線のみの運行となる列車は設定されておらず、都営地下鉄新宿線または京王線に直通する。都営地下鉄新宿線からの電車の大半がこの路線を通り笹塚駅まで運行するため、運転系統上都営地下鉄新宿線と一体化している。分離運転を前提としたダイヤとなっていないため、事故・各種トラブルなどによる輸送障害時であっても都営地下鉄新宿線との相互直通運転中止の措置は取られない。ただし、同じ地下線でも運営・設備管理・運行管理は京王電鉄であるため、当線の閉塞方式は2011年10月まで自動閉塞式となっていた（都営地下鉄新宿線は開業時から車内信号閉塞式）。保安装置も京王のものを使用しているため、都営地下鉄の車両にも京王の保安装置を搭載している。日中は20分サイクルで、本八幡駅 - 橋本駅間の区間急行と快速が1本ずつ（ともに都営新宿線内各駅停車）、本八幡駅 - 笹塚駅間の急行1本が運行され、急行は笹塚駅で準特急に接続する。また、早朝・深夜には新線新宿駅発着の列車が運行される。
京王線の輸送力増強のための線増として1978年10月30日に開業し、1980年3月16日から都営地下鉄新宿線と相互直通運転を開始した。これは、都営新宿線との直通運転の際、ターミナル駅である新宿駅の改修が難しかったためとされている。ほぼ、京王線と並行して国道20号（甲州街道）下、京王線より深い所を走り、笹塚駅の新宿寄りの一部区間を除き、地下路線となっている。京王線笹塚以西への始発と最終列車は新線新宿発着である。また、東京競馬場での開催時には府中競馬正門前駅から新線新宿行きの急行も運転されるが、新線内は各駅に停車する。新線新宿駅は、国道20号の地下5階、京王線などの駅よりも西寄りの位置にホームがある。ここから西南西に向かう。初台駅は上り線が地下2階、下り線が地下3階で、いずれも北側（笹塚に向かって右側）にホームがある。幡ヶ谷駅はどちらも地下2階で、対向式2面2線のホームである。ここまでで国道20号の地下から離れ、南に沿って走ってきた京王線に寄り添うように向かい、一足先に地上に姿を現した京王線の上り線の南側（笹塚に向かって左側）に地下から回り込み、ここで京王線の下り線と出会ってから、下り線と共に地上に向かう。地上に出たところで京王線上下線にはさまれる形となり、そのまま高架へ上る。私道と都道420号（中野通り）をまたぐと、笹塚駅に至る。
2014年5月8日、3Dプリンターで拳銃を製作し所持していた大学職員の男が銃刀法違反で逮捕された。2014年4月12日に神奈川県警が男の自宅を家宅捜索した際、3Dプリンターを使用して製作した拳銃が5丁押収され、このうち2丁は殺傷能力があるものと鑑定された。3Dプリンターで製作した銃に銃刀法違反が適用されたのはこの事件が初めてである。この事件を受けて2014年5月9日、茂木敏充経済産業大臣は「銃砲の製造は、既に武器等製造法の規制の対象となっており、現時点において、追加的な規制をすることは考えていないが、不当な用途へ転用されることを防止するため、実態なども見極めつつ、関係省庁とも連携の上、検討してまいりたい」と既に規制対象であることを明言した。国家公安委員会委員長の古屋圭司はこの事件に対して、現行法上では対応できていない問題であり、今後は法制上の問題も含めて対応していく方針としている。警察庁によれば3Dプリンターは法律では購入を規制されておらず、転売も行われていることから、利用者登録などにより所持者を特定するということは困難であるという。この事件において犯人は3Dプリンタだけで銃を製造したのではなく、7年半の町工場での勤務経験を生かし、小型フライス盤や旋盤、バンドソーなど加工機械も駆使して銃を製作していた可能性が高いと見られる。この事件で、規制の議論が銃だけでなく3Dプリンターにまで及んだことから、業界各社が集まって「3Dプリンター振興協議会」が設立された。10月20日、横浜地方裁判所は男に対して懲役2年の実刑判決を言い渡した。翌年の控訴審でも1審の判決が支持された。