東京メトロ千代田線
霞ケ関駅付近に有楽町線桜田門駅とを結ぶ、全長572 mの単線の連絡線が接続している。これは東京メトロでは8・9号連絡側線と呼ばれ、有楽町線や南北線(市ケ谷駅構内に両線を結ぶ連絡線がある)車両の重整備行うための綾瀬工場への回送や、特急「ベイリゾート」、東京湾大華火祭(小田急線からの直通、有楽町線新木場行き)などの臨時列車が連絡線を通過する。
北千住駅と小田急小田原線・箱根登山鉄道箱根湯本方面、小田急江ノ島線片瀬江ノ島方面との間に全車指定席の特急ロマンスカーが運転されている。2008年3月15日より運行を開始し、東京メトロ・営団のみならず、日本の地下鉄では史上初の指定席特急列車である。車両は小田急電鉄が用意した地下鉄乗り入れ対応の60000形「MSE」が使用されている。
列車名は、本厚木発北千住行きが「メトロモーニングウェイ」、北千住および大手町(平日のみ)発本厚木行きが「メトロホームウェイ」、北千住 - 箱根湯本間が「メトロはこね」、北千住 - 片瀬江ノ島間が「メトロえのしま(土休日のみ、メトロはこねと併結)」である。千代田線内の停車駅は北千住駅・大手町駅・霞ケ関駅・表参道駅の4駅。ただし、線内での追い越しは設備の都合上不可能であり、前後を走る列車に挟まれて走行することとなる。なお、ホームドアの関係上、千代田線内のロマンスカーは上下列車とも、10両編成は1・4・5・7・8・9号車、6両編成は1・4・5号車の乗降ドアのみが開く。
2011年までは土曜・休日のうち年間30日程度(運転日は年度により異なる)は前述の有楽町線との連絡線を経由し、小田急線から新木場駅まで直通する臨時特急「ベイリゾート」も運行されていた。停車駅は表参道駅と有楽町線の豊洲駅・新木場駅であった(霞ケ関駅も停車したが、列車の向きを変えるための運転停車であり、乗客の乗降はできなかった)。2011年10月以降運行休止となり、2012年3月17日のダイヤ改正をもって運行中止となった。さらに2016年3月26日のダイヤ改正をもって、唐木田方面への「メトロホームウェイ」も廃止となった。
これらの列車の運転開始に併せて、小田急線内では成城学園前駅に一部列車が停車している。また、一般の列車と同様に地下鉄線内では東京メトロの運行乗務員(運転士・車掌)が乗務し、乗務員交代のため代々木上原駅に停車するが、同駅では旅客の乗降は扱わない。
これらの列車は東京メトロ線内のみの利用はできず、利用するには距離に関係なく小田急線(箱根登山線を含む)と東京メトロ線に跨って利用することが必要である(例:北千住駅→表参道駅は不可、表参道駅→成城学園前駅は可能など)。なお、小田急線内ならびに箱根登山鉄道線内のみの利用は可能である。
2009年より、それまで通勤形電車で運転されていた臨時列車に代わって特急ロマンスカーが臨時列車に運用されるようになった(「丹沢もみじ号」→「メトロもみじ号」、「初詣&初日の出号」→「メトロニューイヤー号」)。
60000形「MSE」は小田急線と東海旅客鉄道(JR東海)御殿場線を直通する特急「ふじさん」にも充当されているため、システム的には千代田線 - 小田急線 - 御殿場線の直通運行も可能であり、2018年12月2日には小田急トラベル主催の「MSE運行10周年記念ツアー」用団体臨時列車として、綾瀬駅発御殿場駅行き「メトロあさぎり号」が初めて運行されている。
北千住駅 - 綾瀬駅間は、一定の要件を満たした場合に限り、運賃計算上、JR常磐線とみなす規定が置かれているため、同区間の相互発着となる運賃は140円(ICカード運賃は136円)となる特定運賃が設定されている。定期乗車券の運賃・発売区分もJRの制度に準じている(通学定期券は、中学生用・高校生用もある)ほか、回数乗車券は両駅でのみ(北千住駅は千代田線のみ)同区間専用のものを発売している。。
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西日暮里駅までJR線(山手線など)、西日暮里駅 - 北千住駅間を千代田線、北千住駅から再びJR線を利用する場合(逆方向を含む)、一部の発着駅について「通過連絡運輸」という特別な運賃計算方法がある。詳細は「連絡運輸#通過連絡運輸」を参照。また、これに関連して綾瀬駅 - 西日暮里駅間で千代田線を利用して西日暮里からJR線を利用する場合(逆方向を含む)、綾瀬駅 - 西日暮里駅間の運賃を170円(ICカード運賃は168円。通常は乗車券200円、ICカード運賃は199円)とする特定運賃がある(詳細は「綾瀬駅#特定運賃」を参照)。
2007年3月18日から東京メトロ全線でSuicaと相互利用が可能なPASMOが導入された。同日以降、JR線の駅から入場して東京メトロ線を通過して再びJR線の駅で出場する時、途中連絡改札を通らなかった場合、東京メトロを利用したのか判別できないため、全区間JRを利用したものとして運賃が引き落とされる。この事象が発生するのはJR - 東京メトロ間を途中改札を通過しないで乗り換えができる中野駅・北千住駅・綾瀬駅で途中改札を通過しないでJR - 東京メトロ間を利用した場合である。西船橋駅でも同様の事象が発生するが、西船橋駅の改札を通過しないでJR - 東京メトロ間を利用できるのは平日の朝夕のみで、その他の時間帯は西船橋駅で連絡改札を経由しての乗り換えが必要となる。
以下の車両が使用されている。
他社車両が乗り入れてきた際に発生する車両使用料を相互乗り入れ距離で相殺するため、小田急線に直通しない小田急車の運用や、JR常磐線内に直通しないJR車の運用もある。小田急線では千代田線に直通しない東京メトロ車・JR車の運用、常磐緩行線では千代田線に直通しない東京メトロ車・小田急車の運用もある。2014年3月15日のダイヤ改正で、日中の運転間隔が5分間隔となった関係で、日中の多摩急行(2018年3月17日のダイヤ改正で廃止)は東京メトロ車のみの運用となったため、小田急車の千代田線内での折り返し運用が増加した。
車両設備は、千代田線と常磐緩行線では弱冷房車(4号車)やベビーカースペース・車椅子スペース(2号車・9号車)などの位置が揃えられているが(東京メトロ16000系4次車以降は全車両に設置)、小田急の車両は統一されていない(弱冷房車: 2号車、車椅子スペースは先頭車両の乗務員室側直後)。かつては優先席の位置も異なっていたが、こちらは2009年3月より小田急の車両が優先席の位置を移動することにより統一された。
60000形は図の▲●印の車両が乗降可能になっているが、▲印の車両は小田急線内では乗降不可。
16000系 - 全区間で運行される。
05系 - 北綾瀬駅 - 綾瀬駅間のみで運行される。
東日本旅客鉄道(JR東日本)
60000形 MSE - 特急ロマンスカー専用。JR常磐緩行線直通運転非対応。
1969年(昭和44年)の開業時から使用。1981年(昭和56年)にスキンステンレス車が綾瀬 - 代々木上原間から撤退、東西線に転属。その後も綾瀬 - 北綾瀬間でスキンステンレス車、1999年(平成11年)からスキンステンレス車に代わってアルミ試作車が使われていたが、2014年(平成26年)5月30日をもって営業運転を終了。
第1次試作車は綾瀬 - 北綾瀬間で運用されていたが、2014年に営業運転終了。
第2次試作車は2016年に営業運転終了。小田急非対応。
量産車は2017年5月12日をもって小田急乗り入れを終了。2018年10月5日に定期運用終了。2018年11月11日に営業運転終了。
1993年(平成5年)3月18日に運用開始。2015年(平成27年)1月28日から運用を離脱し、同年8月9日に新木場に回送され、9月に解体された。
2008年(平成20年)9月11日より同年12月までの間、第1編成が東西線色の帯で運用に就いていた。その後、東西線に転属。
国鉄・JR東日本
1986年(昭和61年)撤退、105系に改造された転出車両をのぞき廃車済み。
2009年(平成21年)撤退、翌2010年(平成22年)廃車。
2011年(平成23年)9月直通運転から撤退、廃車または海外譲渡。
小田急線乗り入れ非対応で前面にサークルE表示を掲出していた。2018年度をもって撤退、中央快速線に転用された。
1990年(平成2年)3月27日撤退、2006年までに廃車済み。
4000形の増備により、2010年(平成22年)夏頃に直通運転から撤退。
2006年5月15日から平日ダイヤの朝ラッシュ時に女性専用車が設定されている。両端の駅を7:10 - 9:30に発車する全列車に設定される(特急ロマンスカーをのぞく)。線内で9:30を過ぎた時点で女性専用車の扱いは解除となる。A線は小田急線直通列車の場合、代々木上原駅を過ぎると設定が解除される。B線は常磐線各駅停車直通列車の場合、綾瀬駅を過ぎると設定が解除される。又、綾瀬 - 北綾瀬間では10両編成のみ設定されている。
A線(代々木上原・伊勢原方面):1号車(進行方向先頭車両)、実施区間は取手・北綾瀬→代々木上原間
B線(綾瀬・北綾瀬・我孫子・取手方面):1号車(進行方向最後尾車両)、実施区間は伊勢原→綾瀬・北綾瀬間
なお、東西線では途中駅である妙典始発の列車も対象であるが、千代田線B線における霞ケ関始発列車については言及が一切ない。
2021年(令和3年)度の最混雑区間(A線、町屋 → 西日暮里間)の混雑率は126%である。
開業当初から朝ラッシュ時の混雑は激しく、混雑率は1974年度の時点で210 %を越えていた。綾瀬 - 北綾瀬間が開業した1979年度からは輸送人員が急激に増加し、1984年度には混雑率が260 %を記録した。1985年度以降はダイヤ改正の度に朝ラッシュ時の運転本数が増発され、1988年度からは毎時27本が運転されるようになったが、混雑率は220 %前後で高止まりの状況が続いた。
輸送人員は1991年をピークに減少傾向であったが、混雑率は1998年度まで210 %を越えており、東京の地下鉄で最も混雑する路線であった。1999年度に新CS-ATCが導入されたことで、同年度のダイヤ改正から朝ラッシュ時の運転本数が毎時29本に増発され、混雑率は200 %を下回った。また、2003年3月19日に半蔵門線が押上まで延伸して東武伊勢崎線との相互直通運転を開始し、北千住 - 大手町間のバイパス路線となったことで当路線の輸送人員がやや減少し、混雑率は190 %を下回った。
さらに、2005年8月24日につくばエクスプレスが開業し、北千住から東京都心へ直通する路線が増えた。つくばエクスプレスの開業により、直通先の常磐緩行線は輸送人員が大幅に減少して混雑も緩和されているが、同線からの乗換需要もあり当路線は現在も混雑路線であることに変わりはない。直近10年の混雑率は180 %程度で横ばいであり、東京メトロの全路線では東西線に次いで高い混雑率である。
2007年度の一日平均通過人員は、北千住 - 綾瀬間が479,274人で最も多く、西日暮里 - 町屋間が477,242人、町屋 - 北千住間が449,018人であり、西日暮里 - 綾瀬間の通過人員が極めて多い。西日暮里駅で通過人員が減少するが、新御茶ノ水 - 西日暮里間は39万人弱で推移する。新御茶ノ水駅と大手町駅で通過人員が一気に減少し、二重橋前 - 大手町間が285,891人である。その後はほぼ横ばいで推移し、代々木上原 - 代々木公園間が220,239人で最も少ない(北綾瀬 - 綾瀬間を除く)。
大手町、日比谷、霞ケ関、赤坂など、東京を代表するオフィス街や官庁街を直結することもあり、定期利用客の割合は東京メトロ全線で最も高い。北千住 - 大手町間は当路線が所要時間、本数とも有利であること、北千住から池袋、新宿方面も西日暮里で山手線乗り換えが最速であることなど、利便性や速達性に優れていることも混雑に拍車を掛ける一因となっている。
近年の輸送実績を下表に記す。表中、最高値を赤色で、最高値を記録した年度以降の最低値を青色で、最高値を記録した年度以前の最低値を緑色で表記している。
東京メトロが2015年6月から9月までホームページ上において発車メロディ(発車サイン音)に使用する楽曲のリクエストを募集した結果、乃木坂駅のメロディとして乃木坂46の「君の名は希望」が採用され、2016年3月26日に使用を開始した。音源は当時同グループのメンバーだった生田絵梨花がピアノで演奏したものが使用されている。
その他の駅については、2018年10月6日に代々木公園駅、同月13日に日比谷駅、同月27日に代々木上原駅と北千住駅を除く全駅で使用を開始した(代々木上原駅と北千住駅では引き続きブザーを使用)。制作は全てスイッチが担当し、塩塚博、福嶋尚哉、大和優子の3名が作曲を手掛けた。
上表の数字は各駅の番線、【】内は作曲者を表す。