終日にわたり新宿線田無・西武新宿方面との直通運転を行っている。日中は直通列車に加えて車両基地を併設する玉川上水駅を起点とした小平駅 - 玉川上水駅間や玉川上水駅 - 拝島駅間の区間運転もある。車両編成は10両編成（主に速達列車）と8両編成が中心だが、小平駅を始発・終着とする列車には6両や4両編成の列車も存在する。2007年3月6日のダイヤ改正で昼間の小平駅折り返しの列車がすべて西武新宿駅発着に統一されたが、2012年6月30日のダイヤ改正で小平駅折り返しの各駅停車が復活した。基本的には小平駅で新宿線（所沢・本川越方面発着）の列車との相互接続が考慮されている。急行は新所沢駅・本川越駅発着の各駅停車に、各駅停車（小平止まりの列車も含む）は新所沢駅・本川越駅発着の急行・準急と相互接続を行う。また、準急については朝夕時間帯に設定されている。昼間は1時間あたり西武新宿駅 - 拝島駅間の急行3本（20分間隔）、拝島線内折り返しの各駅停車3本（20分間隔、3本のうち2本は小平駅 - 玉川上水駅間、1本は小平駅 - 拝島駅間：小平駅で本川越駅発着の急行と相互接続）で、小平駅 - 玉川上水駅間は10分間隔のパターンダイヤとなっている。また、萩山駅で多摩湖線西武遊園地方面からの列車を併結・分割する列車が存在していた。かつてはほぼ終日（急行または各駅停車）にわたって運転されていたが、当路線での乗降者数が大幅に増加していることから年々減便され、また2012年6月30日のダイヤ改正では下り列車の分割が、2013年3月16日のダイヤ改正では上りの急行の併結が廃止された。なお、併結・分割を行う列車に限り2000系が使われ、一番前（西武新宿寄り）の西武遊園地発の車両には女性専用車両が設定されていた。2013年3月16日のダイヤ改正以降は平日は終日、急行・準急のすべてが10両編成、一部8両編成となった。これに伴い、拝島線（萩山以西）に初の女性専用車両が導入されたと同時に、多摩湖線から女性専用車両は消滅した。これにより拝島線の混雑が緩和され、利便性が向上している。また、小平駅 - 萩山駅間には多摩湖線西武遊園地方面の各駅停車の一部が乗り入れている。土休日には西武新宿駅 - 西武遊園地駅間の急行も運転される。この列車は1998年のダイヤ改正まで快速急行として運転されていた。
正平18年/貞治2年（1363年）に足利尊氏の次男基氏が鎌倉に下向して鎌倉公方（関東公方）となると、憲顕は関東公方の執事（後の関東管領）となり、公方を補佐して関東の政務を取り仕切った。憲顕は観応の擾乱の際に足利直義方についたために上野・越後守護の地位を奪われて一時没落するが、尊氏の死後に基氏の懇願で関東管領に復帰、その口添えで罪を許されて上野・越後守護の地位を回復した。また、越後国の国衙領の半分及び上田荘・五十公郷などの所領を有しており、関東の所領は鎌倉公方、越後の所領は室町幕府の指揮下に置かれ、結果的に2人の主君を持つ事になった。応永23年（1416年）の上杉禅秀の乱の後、憲顕の兄弟から出た宅間上杉家、犬懸上杉家が相次いで衰亡すると、山内上杉家は上杉氏の宗家となり、関東管領の職をほとんど独占し、上野を本拠に武蔵、伊豆に勢力を張った。また同時代に一族の上杉憲定の子上杉義憲が、常陸国の佐竹氏の当主佐竹義盛の婿養子となり、佐竹義人（義仁）と名乗って佐竹氏の中興の祖となった。その際に養父の義盛の一族の佐竹与義が反乱を起こし、山内上杉家も佐竹氏の内乱に介入していたが、佐竹義人が関東公方足利持氏の傘下に入ると、義人の従兄の上杉憲実は足利義教の傘下に入り、義人と対決した。しかし、永享10年（1438年）永享の乱を境に鎌倉公方家との対立が決定的となり、その後の享徳の乱では事実上の敗北を喫してしまう。更には、文明7年（1475年）に始まった長尾景春の乱を契機に、憲顕の叔父重顕から出た扇谷上杉家が家宰太田道灌の補佐のもと勢力を拡大し、山内家と並ぶ勢力となった。以来、山内と扇谷の両家は関東管領の座をめぐって数十年にわたり抗争を続けた（長享の乱）。山内上杉家はこの戦いに勝利し関東管領の地位を守ったが、続いて越後守護代･長尾為景の反乱と11代当主・上杉顕定の戦死による家督争い（永正の乱）が発生、この頃には、伊豆に興り相模を平定した新興の後北条氏の圧迫を受ける様になった。関東管領上杉憲政は後北条氏に対抗するために扇谷家と和睦を結んだが、天文15年（1546年）の河越夜戦で大敗して勢力を急速に喪失し、天文21年（1552年）に上野を逃れて越後の長尾景虎（後の上杉謙信）を頼った。永禄4年（1561年）3月、憲政は景虎を嗣子として家督と関東管領職を譲り、大名上杉氏の家名は長尾氏により存続することとなる。なお、この際に憲政は景虎に上杉氏の系図・重宝も譲ったが、後北条氏に憲政が上野を追われた際に失われたものも多く、系図は「上杉系図」・「上杉系図大概」の2種しか継承されず、“養子”である謙信は越後守護家の系図「御当方御系図（天文上杉・長尾系図）」を合わせても3種類の上杉氏系図しか保持していなかった。そのため、謙信の後継である米沢藩では、江戸幕府の儒官である林道春に上杉氏の系図作成を依頼するなどの系図の蒐集・編纂に努めることになった。その後、憲政は天正7年（1579年）の御館の乱の際に和睦交渉へ向かう途上で、上杉景勝方の兵士により討たれた。但し、憲政の孫・曾孫達の存在が江戸時代に確認される。