西武国分寺線
起点の国分寺駅はJR中央本線(中央線快速)と並列になっており、1面1線である。過去には国鉄との間で貨物列車を継走していた。多摩湖線とも乗換可能であるが一段高い場所にホームがあり、線路もつながっていない。
国分寺駅を出ると西に向かってしばらく中央線と並走したのち右にカーブを切る。野川の源流となる池や日立製作所の中央研究所が線路右側にあり、カーブを曲がり切ったところに羽根沢信号場が設置され、ここで単線から複線となる。北西方向へ直進する途中で府中街道と踏切で交差(この先、終点の東村山まで府中街道と並走する)、そのすぐ先でJR武蔵野線と立体交差する。武蔵野線は小平トンネルの南坑口にあたり、南側にのみ線路が見える。直進のまま恋ヶ窪駅に到着。
恋ヶ窪駅からは単線となりしばらく直進し事業中の新道・新府中街道が直下をトンネルで通過する形で立体交差したのち、右カーブを描き五日市街道と交差し北上、さらに玉川上水を渡り鷹の台駅に到着。交換可能な2面2線で、周辺は学校が多いため生徒や学生で賑わう。再び単線となり北上し、青梅街道と踏切で交差し、左からカーブを描いて拝島線が合流すると小川駅に到着する。
小川駅は2面4線で中央の2本に国分寺線、両側の2本に拝島線が発着する。駅の東側にはブリヂストン東京工場がある。小川駅を出ると拝島線は複線で右カーブを描き萩山駅方向へ分かれていき、国分寺線は単線となって直進する。その先で多摩湖線が築堤で当線の上を直交するが駅はなく乗換不可である(多摩湖線は交差地点の少し東に八坂駅がある)。多摩湖線のすぐ先で多摩湖自転車歩行者道と踏切で交差する。さらに北上して空堀川、続いて新青梅街道を橋梁で渡り、右側からカーブを描いて新宿線が合流し東村山駅に到着する。
国分寺線は、西武鉄道で最も歴史の古い路線であり、1894年に川越鉄道が敷設した路線である。当初は、国分寺駅 - 川越駅(現在の本川越駅)間が本線であった。なお、川越鉄道は甲武鉄道の子会社であり、現在の中央本線と直通する飯田町駅 - 川越駅(国分寺駅経由)間運転の列車も設定されていた。
1920年に武蔵水電に合併後、1922年に鉄軌道事業が分離されて(旧)西武鉄道の路線となった。1927年に東村山駅 - 高田馬場駅間(村山線、現在の新宿線)が開業すると国分寺駅 - 東村山駅間は分離され支線となり、現在の形態となった。
1945年に(旧)西武鉄道は本路線開業後に創業した武蔵野鉄道に合併され、西武農業鉄道(1946年に西武鉄道に社名変更)の路線となった。
国分寺線内は、各駅のホーム長が6両分までしかない関係上、原則、6両編成を組成できる車両に限定されている。
1891年(明治24年)4月11日 - 川越鉄道に対し鉄道布設仮免状下付
1892年(明治25年)6月21日 - 鉄道布設免許状下付
1894年(明治27年)12月21日 - 川越鉄道川越線国分寺駅 - 久米川(仮)駅(現在の東村山駅)間 (8.0km) 開業(非電化)
1895年(明治28年) 3月21日 - 久米川(仮)駅 - 川越駅(現在の本川越駅)間 (21.7km) 開業(非電化) 4月16日 - 鉄道郵便路線開設
1911年(明治44年)2月16日軽便鉄道指定
1927年(昭和2年) 4月16日 - 東村山駅 - 川越駅間電化(直流1500V) 4月16日 - 村山線高田馬場(仮)駅 - 東村山駅間開業。高田馬場駅 - 川越駅間で直通運転開始。 4月16日 - 鉄道郵便路線廃止
1948年(昭和23年)11月5日 - 国分寺駅 - 東村山駅間電化(直流1500V)
1952年(昭和27年)3月25日 - 東村山駅 - 本川越駅間を新宿線に編入、国分寺駅 - 東村山駅間を国分寺線に改称
1968年(昭和43年)11月12日 - 羽根沢信号場 - 恋ヶ窪駅間複線化
1990年代前半 - 線内運転車両4両編成を6両編成にして輸送力増強する。
1995年(平成7年)11月11日 - 川越鉄道敷設100周年を記念して、旧川越鉄道線内の国分寺駅 - 本川越駅間にて記念列車が運転される(4000系を使用)。
2003年(平成15年)3月12日 - ダイヤ改正により、新宿線新所沢駅までの昼間時の直通運転が開始。