西武狭山線

運転

朝5時台から夜23時台の運行である。
2019年3月16日改正時点のダイヤでは、西武球場前発の上りの場合、平日は早朝が20分間隔、7時から9時台は10分間隔、以後は15分間隔で運転されており、すべてが線内運転の各駅停車である。土休日は始発から9時台が20分間隔、以後は15分間隔で運転されており、12時以降から15時台に毎時1本が池袋線池袋行きの準急、16時から22時台まで毎時2本が池袋線池袋行きの準急または普通となり、23時台に保谷行きが1本ある。下りも運転間隔は上りとほぼ同じであるが、平日は池袋8時58分発西武球場前9時56分着と池袋15時42分発西武球場前16時39分の2本のみが池袋線との直通となっている。土休日は、9時台以降21時台まで池袋からの直通が準急または普通で運行されている。なお所沢始発の直通も1本運転されている。所要時間は線内6分（各駅停車）である。日中の線内運転の各駅停車と、西所沢駅での池袋線接続は、急行の運転間隔が等間隔でないこともあり、急行にすぐに接続するのは4本中1本（西所沢39分着が45分発の急行に接続）である。
線内運転列車には新2000系の4両編成が使用され、場合によっては2両編成を2本連結した編成が入ることもある。かつては新101系の運用のみであったが、2010年度に新101系の243編成（4両編成）と275編成（2両編成）が廃車されたことで池袋線所属の101系が減少し、新2000系4両編成や2両編成を2本連結した列車も線内運転の運用に入るようになり、2012年12月をもってワンマン車以外の新101系・301系が運用を終了したことにより狭山線からは撤退した。
2010年3月6日のダイヤ改正から池袋線直通の準急・快速（土休日のみ）が日中に定期ダイヤで設定されたが、2012年6月30日のダイヤ改正で平日の下り1本、土休日の準急折り返しの一部と16・17時台以外は池袋駅発着の各駅停車や線内運転列車へ変更された。2018年3月10日のダイヤ改正で、土休日14・15時台の西武球場前駅発池袋駅着の各駅停車のうち1本（計2本）が準急に格上げされた。
2018年3月9日までは平日にも池袋線池袋駅発着の各駅停車が設定されていたが、2018年3月10日のダイヤ改正よりそれらの多くが線内運転となり、2019年3月16日改正時点で平日の池袋線池袋駅発着の各駅停車は下り2本のみとなった。

イベント開催時の運転

メットライフドームでのプロ野球の試合や各種イベント開催時の運転は以下のように行われる。この場合、通常の池袋線直通列車に加え、池袋線・新宿線直通臨時列車が設定される。
2009年7月2日に西武ドームで行われた西武対ロッテ戦では試合時間が5時間42分に及んだため、試合終了前にその日の最終列車の発車時刻を過ぎた。そこで西武鉄道側は急遽西所沢行きの臨時列車3本を運行したものの、池袋方面への接続がなかったこともありすべての観客が帰ることはできず、翌朝の始発列車まで現地付近で夜を明かしたファンもいた。

池袋線・東京メトロ線・東急線・みなとみらい線方面直通列車

池袋駅発着で各駅停車をはじめ準急（平日ナイター、下りのみ）・快速のほか、1998年3月26日からは東京メトロ有楽町線新木場駅発着、2013年3月16日からみなとみらい線元町・中華街駅発着で東急東横線・東京メトロ副都心線を経由して運転されている。試合終了後も池袋行きのほか有楽町線・副都心線直通列車が数本運転される。また、野球開催時には臨時特急「ドーム号」として1往復運転される。渡辺美里やGLAY、水樹奈々（2009年 - 2010年、2013年）、AKB48（2011年）、乃木坂46（2015年）、THE IDOLM@STER（2015年）のコンサートなどの大規模イベント開催時にも臨時特急が運転されている。なお「乃木坂46 3rd Year Birthday Live」の際の特急ドーム号では、乃木坂46のメンバーによる車内放送が実施されている。
池袋発の直通列車は大半が各駅停車の保谷行き、準急や快速は所沢行き、新木場発の直通列車は所沢行きをそれぞれ西武球場前行きとして延長運転する形で運行されている。また、平日ナイターの快速飯能行きは西武球場前行きに変更し、所沢発で飯能行きの区間列車に接続する。また、2013年3月16日改正で新たに東横線・副都心線から元町・中華街発の快速急行小手指行きが設定された。こちらは行先を西武球場前行きに変更した上で西武線内を快速として運転し、ひばりヶ丘駅で同駅始発の臨時快速急行小手指行きに接続している。そのため所定のひばりヶ丘駅で東横線・副都心線からの快速急行を待ち合わせる新木場発各停小手指行きは、清瀬駅でひばりヶ丘発臨時快速急行小手指行きに抜かれる形態がとられている。該当する列車には、西武時刻表第25号で記述されている。2013年3月16日のダイヤ改正では、土休日の夕方に所沢発が2本設定されている。なお、2019年3月16日実施のダイヤ改正で、土休日ダイヤの運行形態が見直され、夕方・夜間にも西武球場前駅発着が増加されたほか、ダイヤの見直しに伴い新木場発各停小手指行きと快速急行小手指行き（臨時運転時は快速西武球場前行き）の接続駅がひばりヶ丘駅から石神井公園駅に変更された。
運転される際には、短時間に集中する乗客の便を図るため、多くが4ドア10両編成（一部は8両編成）の列車を使用する。有楽町線・副都心線からの列車は東京メトロ7000系や10000系、東京急行電鉄5050系もしくは横浜高速鉄道Y500系で運転されることもあり、車内自動放送などもそれに対応している（東京メトロ線内での西武球場前行駅構内放送も対応）。中には東京メトロまたは東急の運行番号を用いて6000系が充当されることもある。
2001年12月15日のダイヤ改正まで快速（一時期は準急や通勤準急も）は下山口駅を通過していた（現在は快速が停車している練馬駅も通過していた）。
2001年12月15日のダイヤ改正以前は多数の臨時列車運転パターンを用意しておき、試合終了時刻（及び試合中止決定時刻）に合わせてパターンを指定して臨時列車を運転するというパターン輸送を行っていたが、以降は予め野球開催時のみ運転の臨時列車を設定し、それで対処していた。2010年3月6日のダイヤ改正により、試合終了時刻に合わせて臨時電車を運転する方式が8年3か月ぶりに復活することになり、池袋行きについては、臨時列車として初の急行が運転された。
土休日デーゲーム開催時中は、池袋線直通列車の一部を本川越発着に使用する新宿線所属車両を間合い運用として運行されている。

新宿線直通列車

西武新宿駅・本川越駅 - 西武球場前駅間の各1往復ずつで、前者は急行または準急、後者は各駅停車として運転され、前者については所沢で方向転換を行っている。かつては西武新宿方面からも多数臨時列車を走らせていたが、近年は池袋線で 地下鉄直通列車が増えたために所沢・西所沢乗り継ぎの形がベースになっている。
2018年3月9日まで土休日のナイター開催に運転される西武新宿駅行きは準急であったが、2018年3月10日のダイヤ改正から急行に格上げされた。
かつては西武新宿発の準急田無行きの延長運転や快速急行（停車駅は西武新宿駅 - 田無駅間の急行停車駅と小平駅・東村山駅・所沢駅・西所沢駅・西武球場前駅）の運転を行っていた。
2007年3月5日以前は西武新宿駅発着が2往復設定されていたが、翌6日のダイヤ改正以降は1往復が前記の本川越駅発着の列車に変更されている。2010年3月6日のダイヤ改正以降は、試合終了時の新宿線への直通列車はパターン輸送の対象から外されている。

旅客案内

池袋線車内自動放送における本路線への乗り換え案内は、2008年6月13日まで「下山口・西武球場前、山口線、西武遊園地方面においでのお客様はお乗り換えください」であったが、翌14日の東京メトロ副都心線開業によるダイヤ改正から「狭山線はお乗り換えください。」と案内されるようになった。