東急目黒線
前述したように、旧目蒲線が分割されて本路線と東急多摩川線が誕生したが、本路線は将来的に現行の20m車両6両編成から同8両編成への増強が計画されており、多くの駅では8両編成の運転を想定した準備工事などがなされている(乗り入れ先の南北線・埼玉高速鉄道線・三田線も同様)。東急は相鉄との直通運転にあわせて目黒線を8両編成とする意向を示し、また車両の増備についての検討も開始した。
2023年3月からの相鉄との直通運転に先立ち、2022年4月1日より8両運転での運転が順次開始され、東急保有の車両については、相鉄との直通運転開始時までに8両編成化された。また、目黒線の直通運転先で相鉄との直通運転が計画されている都営地下鉄三田線については2018年6月に、同じく直通運転先の東京メトロ南北線および埼玉高速鉄道線についても2019年3月に、それぞれ8両編成に増強することを発表している。
急行と各駅停車が運行されている。
どの列車がどの車両で運転されるかは列車番号末尾のアルファベットにより区別しており、「K」が東急の車両(01K - 48K)、「T」が都営地下鉄の車両(21T - 89Tの奇数番号)、「S」が東京メトロの車両(30S - 70Sの偶数番号)、「M」が埼玉高速鉄道の車両(80M - 96Mの偶数番号)、「G」が相鉄の車両(31G - 43G)となっている。列車番号は『MY LINE 東京時刻表』(交通新聞社)の列車番号欄にも掲載されている。
また、6桁の数字で表記されている目黒線内の列車番号では上1桁が車両の所属元を表し、2が東急の車両、3が東京メトロの車両、4が都営地下鉄の車両、5が埼玉高速鉄道の車両、6が相鉄の車両となっている。次の上2桁が運用番号を表す(例えば「01K」の場合は目黒線内は「201」となる)。
従来は三田線運用と南北線・埼玉高速鉄道線運用とで別々に組まれていたが、2023年3月18日改正以降は相鉄線内での折り返しで番号を切り替えて両方に乗り入れる運用も設定されており、奇数番号と奇数番号+1の偶数番号(例:01Kと02K)が同一車両で運転されている。そのことから一部の運用番号が欠番となっている。
各事業者間の走行距離調整の関係上、東急車及び相鉄車は目黒線に乗り入れない列車(白金高輪折り返しなど)や、東急車は乗り入れ区間外となる相鉄本線の西谷駅 - 横浜駅間でも使用されている(後者は東横線車両とともに運用)。
9月26日 営団地下鉄(現・東京メトロ)南北線・都営地下鉄三田線との相互直通運転を開始。 これに伴うダイヤ改正は9月22日に実施され、9月25日までは「予行運転」の形で新規開業区間(目黒 - 溜池山王・三田間)は回送列車として運転。そのため9月22日より目黒線で営団9000系・都営6300形が、南北線・三田線で3000系(2代)がそれぞれ営業列車に使用開始。
2001年(平成13年)3月28日 営団地下鉄南北線を介して埼玉高速鉄道線との相互直通運転を開始。
2003年(平成15年)3月13日 5080系の営業運転を開始。
2006年(平成18年) 7月2日 不動前 - 洗足間連続立体交差事業に伴い、武蔵小山駅・西小山駅地下化。 9月25日 全線で急行列車の運転開始。平日朝ラッシュ時の運行本数は各駅停車17本から急行7本・各駅停車14本の21本に増発した。 昼間時間帯は1時間あたり10本に急行を1時間2本(30分間隔)増発した。直通運転先と運行本数が合わなくなることから、目黒駅折り返しの各駅停車が1時間2本(30分間隔)運転された。
2008年(平成20年)6月22日 目黒線武蔵小杉 - 日吉間2.8km延長。平日朝ラッシュ時の運行本数は急行10本・各駅停車14本の24本(急行を3本増発)に増発した。日中において、目黒行の各駅停車を地下鉄線直通の急行に変更し、これに伴い急行の運転間隔を1時間2本(30分間隔)から4本(15分間隔)に増発したほか、同時間帯の全列車が地下鉄線直通となった。