東急東横線
事業着手当時、田園調布駅 - 多摩川園駅(現・多摩川駅)間は西側2線が東横線、東側2線が目蒲線の線路別複々線であった。事業後は目蒲線の蒲田直通をやめて日吉方面に直通させるため方向別複々線に配線を変更、田園調布駅を地下化、多摩川園駅を高架化し、多摩川園駅では蒲田方で折り返し運転となる目蒲線蒲田方面(現・東急多摩川線)のホームを新たに地下に設置、 田園調布方向に地上との連絡線を設ける工事が行われた。
また、多摩川園駅 - 武蔵小杉駅間は、橋梁・高架線の拡幅・増設によって複々線化された。多摩川園駅の日吉方にある多摩川橋梁は複々線形式での全面架け替えが行われている。この工事は1999年5月15日に完成した。そして翌2000年8月6日、多摩川園駅を「多摩川駅」に改称し、同時に東横線の急行停車駅となった。多摩川駅を境に目蒲線は2つの路線に分離されている。
速達列車の通過駅の有効長の関係で、すべての列車が東急・横浜高速鉄道・東京メトロの車両による8両編成で運転されている。主に元町・中華街発着の列車が自由が丘駅・菊名駅で急行または特急(時間帯によっては通勤特急)に接続する。
日中時間帯は1時間に8本設定されており、内訳は渋谷 - 元町・中華街間を通しで運転する列車(線内完結列車)が2本、副都心線直通 - 元町・中華街間を運転する列車が6本(内訳は副都心線池袋駅・和光市駅発着が2本ずつ、池袋線石神井公園駅発着が2本)である。すべての列車が直通先の副都心線内でも各駅停車として運転する。また、東京メトロの車両は、東横線・みなとみらい線内のみを運転する一部列車(渋谷 - 菊名間および渋谷 - 元町・中華街間など)にも使用されている。以前は日中時間帯に菊名 - 副都心線池袋間を走る各駅停車が毎時2本運行していたが、2022年3月12日のダイヤ改正で消滅した。
日中以外の時間帯には、和光市駅より先の東上線志木駅発着(平日のみ)のほか、副都心線新宿三丁目駅発着、池袋線飯能駅(土休日のみ)・小手指駅・所沢駅・清瀬駅発着もある。
東横線の輸送需要増大に対応する抜本的対策の一つとして「東横線沿線から都心方面に向かう第2ルートの確保」が検討され、その結果として行われたのが「東横線・多摩川園駅 - 日吉駅間4.8kmの複々線化」と「旧目蒲線・目黒駅 - 多摩川園駅間の大規模改良」の実施による目蒲線経由での地下鉄への直通運転である。この工事の完成により、目蒲線改め目黒線経由での南北線・都営三田線への直通運転が行われている。
伊豆急行 100系 - 1961年に東急車輛製造にて新造された後、伊豆急行線開業までの間元住吉検車区に配置され、伊豆急行の運転士の慣熟訓練と開業の宣伝を兼ね東横線内を連日走行した。 2100系(リゾート21) - 1986年に田園都市線開業20周年企画と車両のPRを兼ねて2次車(R-2編成)が、1988年には「リゾートエクスプレス今井浜'88」として3次車(R-3編成)が東横線・目蒲線・大井町線・田園都市線を走行した経歴がある。
目黒線の武蔵小杉駅までの開業に引き続き、目黒線を日吉駅まで延伸する形での複々線化工事が2000年3月30日から着工された。
この第一段階として、2006年9月24日に武蔵小杉駅 - 日吉駅間が新たに完成した高架線への切り替えが行われた。この際に生じた事柄は以下の通りである。
前日の23日終電後から翌24日の始発前までにかけて同駅の日吉駅寄りにある道路(尻手黒川道路)の陸橋と東横線の線路の位置を入れ替える、いわゆる「逆立体化工事」が実施された。これにより東横線が上を走り、尻手黒川道路が下を走る構造になった。
元住吉駅には元住吉検車区が併設されているが、高架化の完成によって同駅の位置が日吉寄りに移設され、すなわち同検車区直上に建設された高架駅に切り替わった。このため、元住吉駅から地上にある元住吉検車区に出入りできない構造になった。高架化前まで運転されていた元住吉駅始発・終着列車はすべて武蔵小杉駅あるいは日吉駅発着へと変更された。武蔵小杉駅と元住吉検車区とを結ぶ回送列車は、高架化前の線路を使用する。
ただし、終電(上下線1本ずつ)に限っては従来通り元住吉行であり、この場合はホームに停泊した後、翌日の同駅始発列車に充当される。
2009年6月6日のダイヤ改正より、上り方面の最終菊名行き(土曜・休日は急行日吉行き)は乗客を全員下ろしたあと、元住吉駅6番線(優等列車用の通過線)で翌朝まで停泊する。
下り線に限り、元住吉検車区から日吉駅へ直接進入することができる「下り出庫線」が設けられているため、元町・中華街方面行の多くは日吉駅始発列車である。