西武秩父線
運転系統としては完全に池袋線(飯能駅以北)と一体であり、有料特急の「ちちぶ」号が池袋駅発着、各駅停車が飯能駅発着で運転されている。かつては土曜・休日に池袋駅発着の快速急行・急行も運転されていたが、池袋発の運転は2020年3月14日のダイヤ改正で、西武秩父発の運転も2022年3月12日のダイヤ改正でそれぞれ廃止された。
2017年3月25日からは、40000系の10両固定編成を用いた座席指定列車「S-TRAIN」が土休日に運行を開始した。
1988年12月までは池袋駅発着の急行や準急(飯能駅 - 西武秩父駅間は各駅に停車)が終日にわたり運転されていた。現在では、春の芝桜シーズンや毎年12月3日の秩父夜祭、横瀬車両基地でのイベント開催時などに臨時列車が運転されている(西武新宿発着の臨時列車が運転されることもある)。1976年から1993年までは新宿線からも西武新宿駅発着の特急「おくちちぶ」号が土休日に1往復運転されていた。
重油列車は池袋駅より国鉄山手貨物線・東海道線を介して神奈川臨海鉄道の横浜本牧駅および総武線と外房線蘇我駅を経由して京葉臨海鉄道の浜五井駅まで運転されていた。砂利輸送列車は、池袋駅から赤羽線経由で板橋駅、山手貨物線経由で隅田川駅へ運転されていた。なお、武蔵野線が開業した後の1976年に西武の受け渡し駅が池袋駅と国分寺駅から新秋津駅へ集約されると西武線発着駅が池袋駅から新秋津駅へ変更となり、セメント列車は廃止まで、重油列車は1982年に燃料変更で消滅、砂利輸送は板橋駅と隅田川駅から酒折駅へ発着駅が変更となった。
なお、一時期は小鹿野町を経由して、創業者の堤康次郎が開発した西武グループのリゾート施設の多い、長野県北佐久郡軽井沢町まで路線を延伸するという構想があったという噂があるが、西武鉄道常務取締役を務めた長谷部和夫によると、「これは全くのデマで、当社としては与り知らぬこと(で)あります。ただし、長尾根地区の開発に絡んで西武秩父駅から空中索道などによる何らかの交通機関を検討していたのを地元の方々が希望を交え、このようなことが言われはじめたのではないかと考えられます。」と軽井沢延伸構想を否定し、西武秩父駅の構造についても、西武鉄道OBの西尾恵介は「ルート検討の中で、トンネルを出た後そのまま直線で荒川を越える案もあったようです。いわゆる軽井沢延伸という噂の原点です。しかし秩父農工高校の用地を取得できることになり、将来の構想の中で秩父鉄道との連携も念頭において秩父鉄道と並行する今の位置に駅が置かれたと聞いています。
501系
旧101系
701系
5000系(特急用。愛称「レッドアロー」号)
新101系・301系(定期での乗り入れは2010年3月のダイヤ改正で終了。2012年12月9日をもって101系・301系の運用は多摩湖線および多摩川線のワンマン以外は終了しているため現在は見ることができない)
3000系
10000系(特急用。愛称「ニューレッドアロー」号)
この他、赤電と称される旧性能車両各形式も特に制限なく運用されていた。