都営地下鉄三田線
以上の経緯を経て、東急との乗り入れは当初計画の泉岳寺線・池上線・田園都市線(後の大井町線)から目黒線へと、対象路線は変わったものの実現することとなった。これを受け、東京都交通局では1989年(平成元年)3月30日に三田 - 清正公前(仮称時・現在の白金高輪)間 1.7 kmの第1種鉄道事業免許を、清正公前 - 目黒間 2.3 km は第2種鉄道事業免許の申請を行い、同年5月24日に事業免許を取得した。この免許交付時点で、目黒延伸は1995年(平成7年)10月開業予定とされていた。各種手続きを経た、1992年(平成4年)7月17日に延伸区間の建設工事に着手した。
合わせて、三田線は開業から20年ほどが経過していることから、営団(当時)・東急・東京都の3者間で相互直通車両規格を定め、三田線の保安装置ATC化・列車無線の更新・乗り入れ車両は8両編成とするなどが盛り込まれた(ただし、目黒開業時点での8両編成化は見送られた)。
なお、1964年(昭和39年)12月に取得していた泉岳寺 - 三田間の地方鉄道敷設免許は、1972年(昭和47年)に清正公前 - 三田間に変更する起業目論見変更申請の状態となっていたが、清正公前以南の路線ルートが正式に決まっていないことから、処分保留となっていた。前述の免許取得と同時処分により、前述した泉岳寺 - 三田間の第一種鉄道事業免許の廃止許可と、起業目論見変更申請は交通局に返付された。
当初は1995年度の開業を予定(前述)していたが、建設工事の遅れから1997年度→1999年度、最終的には2000年度(2000年秋)まで延期した。
水道橋駅の南側、水道橋下・神田川河底部(延長39.0 m)では両岸にケーソン(潜函)を沈下させ、その間約23.0 mを凍結させることで掘削した。 神保町 - 大手町間、神田橋工区の日本橋川河底部・延長83.2 m。半径170 mの急曲線に位置する場所で、施工区間に立坑3基(総延長20.6 m)を建築し、その間を凍結させることで掘削した。この場所は神田橋・首都高速都心環状線神田橋出入口(外回り出口)の真下にあたる。なお、三田線と並行する千代田線も同様の凍結工法で施工している。 芝公園駅の南側(芝公園駅A1・A2出口への連絡通路含む)、芝園橋下・古川河底部(延長55.0 m)では、凍結工法併用水平鋼管矢板圧入工法(後者はアーマー工法とも呼ばれる)を採用した。これは当工区の西側(上流側)に古い下水道管があることと東側(下流側)にはガス管があり、そのまま凍結工法を施工した場合、下水管・ガス管が損傷するおそれがあるためである。また、三田線トンネルの建設と並行して、西側には共同溝が同時施工されている。 両岸に立坑を建設して河底を凍結させ、三田駅側の立坑から特殊圧入機(油圧ジャッキ)を使用して直径26.7 cmの鋼管(アーマー管)を河川横断部33 m(6.6 m長を5本溶接)に渡って連続圧入し、これをトンネル掘削の支保工とするものである。また、河川横断部の凍結させた地盤の支持、また河底からの水の浸水防止を図るものでもあり、さらに支保工として上床板から下床板に向かってトンネルを構築する逆巻工法で施工した。鋼管(アーマー管)は三田線トンネル・共同溝上部に53本(幅18.408 m)、左右側部に33本ずつ(天地方向11.682 m)、計119本が圧入された。