神奈川東部方面線
三田線は2019年4月の時点では東急新横浜線および相鉄線の両方との乗り入れを計画していたが、先に東急新横浜線側への乗り入れを先行して調整し、その終了後に相鉄と東京都交通局との間で乗り入れ協議を実施した。これに先立ち、都交通局では相鉄との相互乗り入れの準備として、「ダイヤ作成支援システム三田線 相鉄線乗入れ改修委託」を日立製作所と随意契約の上で見積をしていることが2020年12月に明らかとなった。その後相鉄21000系第1編成が9月に東急に貸し出されて各種試験を実施し、10月に入って元住吉検車区や東急目黒線への入線試験を実施した後に、都交通局に又貸しした上で三田線にも入線試験を実施した。三田線入線試験実施期間中は志村車両検修場に留置していた。2022年1月27日、正式に相鉄・東急新横浜線列車の三田線乗り入れを決定した(東急新横浜線は6両編成も混在。相鉄方面へは8両編成のみ)が、開業時点では自者車両の相鉄線内での運用はないが、6500形のみは先述の通り乗り入れ対応準備工事がなされている。
東京都交通局が直通運転に関係する場合は、東京都の公式の発表で使用する表現について、一般的に用いられている「社局」を使用せずに「者」を使用しており、直通先各社の公式発表などについても「者」とする場合もある。
3020系を投入し、目黒線用の編成を3編成増備している。
目黒線の各駅で8両編成対応工事を行い、既存編成(3000系13編成並びに5080系10編成)についても相鉄直通対応工事を実施した上で2両増結して8両で統一する。このうち5080系の中間車は、元々6000系の中間車だった2両を5080系に編入の上で連結する予定の車両を含めて、一部の車両が落成し、2021年10月26日より28日に掛けて搬入された。また、3000系への増結用の中間車についても製造が順次行われている。8両編成の車両は2022年4月より運行を開始した。これとは別に、東横線所属の5050系4000番台にも順次相鉄直通対応工事を施行している(5000系・5050系8両編成は相鉄新横浜線に直通しない)。
東横線でも、東急・相鉄新横浜線との直通運転を実施。また2023年2月17日に相鉄が自社のホームページで発表した開業時の時刻表によると、全日で横浜駅発着列車、すなわち直通区間外の横浜 - 西谷間を運転する一部運用にも東急車を使用している。
東急新横浜線は8両編成と10両編成の列車に加え、一部6両編成の列車も運行されている。ただし6両編成の列車は相鉄新横浜線まで運行されず、新横浜駅での折り返しである。