日比谷線
穿過澀谷隧道後進入目黑區，日比谷線在上下行線之間穿出。以高架線渡過目黑川後，隨即到達高架島式兩面四線的中目黑站。月台正位於山手大道（都道317號）之上。所有日比谷線列車以本站佑天寺方向三條的日比谷線專用折返線折返。2013年3月15日以前，東橫線與日比谷線以直通運行方式運轉，東武伊勢崎線直通日比谷線列車以及日比谷線內列車在此折返，而東橫線的日比谷線直通列車則從本站開始進入日比谷線。此外，東武直通日比谷線專用的因訊號問題不能進入東橫線內，因此不與東橫線進行直通運行。而東橫線直通日比谷線專用的有從北千住方向開出至中目黑站而不駛入東橫線的班次。該班次亦以此折返線返回北千住方向。因為中目黑站的配線以及車輛規格等的問題，東橫線運行的列車不能從此站折返回東橫線。