西武拝島線
1928年(昭和3年)11月2日 - 多摩湖鉄道小平線萩山駅 - 本小平駅間 (1.0 km) 開業。
1932年(昭和7年)8月15日 - 萩山駅 - 本小平駅間電化(直流600 V)。
1940年(昭和15年)3月12日 - 武蔵野鉄道(現・西武鉄道の旧称)に合併。
1944年(昭和19年)4月1日 - 小川駅から陸軍の施設(のちブリヂストンタイヤ東京工場)への引き込み線を敷設。
1949年(昭和24年)11月15日 - 本小平駅を小平駅に統合。
1950年(昭和25年)5月15日 - 上水線小川駅 - 玉川上水駅間 (4.6 km) 開業(日興工業専用鉄道を1949年5月21日譲受。地方鉄道へ免許を変更し開業。非電化)。
1954年(昭和29年)10月12日 - 小川駅 - 玉川上水駅間電化(直流1,500 V)。
1955年(昭和30年)3月18日 - 小平駅 - 萩山駅間が1500 Vに昇圧。
1962年(昭和37年)9月1日 - 萩山駅 - 小川駅間 (1.6 km) 開業(一部区間はブリヂストンタイヤ東京工場専用線を改築)。小平線小平駅 - 萩山駅間を上水線に編入。新宿線との直通運転開始。
現在の形態になったのは1968年と比較的歴史が浅く、異なる経歴を持つ複数の路線を後から新線により連結して全通させたものである。小平駅 - 萩山駅は、多摩湖鉄道が旧・西武鉄道線への接続のため1928年に支線として開通した。その後、多摩湖鉄道→武蔵野鉄道は旧・西武鉄道と合併し、村山貯水池への観光客輸送を目的として1958年に萩山駅を移設。小平駅 - 萩山駅 - 多摩湖駅間の直通運転を開始した。
一方、小川駅 - 玉川上水駅は北多摩郡大和村(現東大和市)にあった日立航空機立川工場への専用鉄道として敷設したものを第二次世界大戦終了後に西武鉄道が取得し、1949年に上水線として開業したものである。開業当時は非電化で気動車が走っており、後に電化されたものの暫くは支線の地位にとどまっていた。
1962年に小川駅 - 萩山駅間が開通し、同時に小平駅 - 萩山駅も上水線に編入。小平駅 - 萩山駅 - 玉川上水駅間の直通運転を開始し、新宿線直通列車も設定された。この区間は、元々陸軍施設への引き込み線として1944年に開通したもので、その後陸軍施設跡に1960年に完成したブリヂストンタイヤ(現:ブリヂストン)東京工場でも利用していた。このため小川駅 - 萩山駅間は現在も工場の敷地に挟まれる形で線路が通っている。
その後、1968年に玉川上水駅 - 拝島駅が開通し拝島線として全線開通するが、この時玉川上水駅構内の線路をつけ替えて延伸したことから後述するように玉川上水駅からキロポストが始まっている。
また、萩山駅で多摩湖線西武遊園地(現・多摩湖)方面の列車を併結・分割する列車が存在していた。かつてはほぼ終日(急行または各駅停車)にわたって運転されていたが、当路線での利用者数が大幅に増加していることから年々減便され、2012年6月30日のダイヤ改正では下り列車の分割が、2013年3月16日のダイヤ改正では上りの急行の併結が廃止された。なお、併結・分割を行う列車に限り2000系が使われ、一番前(西武新宿寄り)の西武遊園地発の車両には女性専用車両が設定されていた。2013年3月16日のダイヤ改正以降は平日は終日、急行・準急のすべてが10両編成、一部8両編成となった。これに伴い、拝島線(萩山以西)に初の女性専用車両が導入されたと同時に、多摩湖線から女性専用車両は消滅した。
また、小平駅 - 萩山駅間には定期ダイヤでは平日朝のみ多摩湖線多摩湖方面の各駅停車の一部が乗り入れている。また、土休日臨時列車として、西武新宿駅 - 多摩湖駅間の急行も運転される。この列車は1998年のダイヤ改正まで快速急行として運転されていた。