京王線
仙川の谷に下り、これを渡ると地面は上がっていくが、線路はさらに下って切り通しに入る。調布市となり、仙川駅に着く。現在の仙川駅は山手線の原宿駅と同じようなホーム構造であるが、かつては島式1面であった。都道114号をくぐると武蔵野台地の国分寺崖線から入間川の谷に突き出す。高架(築堤)で進んで入間川を跨ぎ、武蔵野台地の武蔵野面の舌状台地へ着地する。
現在の新宿三丁目駅に相当)であった。1936年、幡ヶ谷より新町までは玉川上水を暗渠とした上に専用軌道を敷設。新宿起点も追分交差点上から脇の四谷新宿駅(のちの京王新宿駅。現在は京王新宿三丁目ビルが立地)に移転した。戦争末期の1945年、現在の新宿 - 初台間に相当する場所にある天神橋変電所が空襲により被災し、電圧低下で新宿駅南口の跨線橋を電車が上れなくなったため、西口の現在の場所に急遽ターミナルが作られた(この場所は東横線新宿延伸計画用の土地だった。詳しくは、東京横浜電鉄新宿延伸計画を参照)。
以降も、新宿駅と文化服装学院前との間、約1 kmは甲州街道上に軌道が敷設されていたが、1953年に道路中央を専用軌道化した。しかし、新宿駅周辺の甲州街道上り線を横切る踏切に遮断機が設けられていなかったことによるトラブルが相次ぎ、また甲州街道自体拡幅の必要に迫られ、京王線軌道敷を移設することになった。こうして新宿駅は1963年4月に現在の地下駅が完成し、同区間が地下化された。同年8月に架線電圧を1500Vに昇圧。京王線の地下化は第二期として翌1964年に初台駅の西側まで延長され、1978年には前記の京王新線開業で新宿 - 笹塚間の複々線化が実現し、その後の1983年には第三期として笹塚駅東側まで地下区間が延長された。京王新線の開業と引き換えに、京王線の各駅停車を含む全列車は初台・幡ヶ谷両駅を通過することになりスピードアップが図られた。
2011年3月11日の東日本大震災および発電所停止に伴う電力事情悪化により半年近くに渡り新宿線内での急行運転が中止され、同年夏の節電ダイヤでは日中の急行は快速と入れ替わる形で京王線新宿駅 - 橋本駅間での運転となっていたが、9月23日からは新宿線内での急行運転が本格的に再開されたことに伴い日中の急行は再び本八幡駅 - 橋本駅間での運行となった。また、朝や夕方以降には京王線新宿駅 - 京王多摩センター駅・橋本駅間の急行も運行される。2012年8月19日のダイヤ改定で夕方の都営新宿線直通急行については、一部を除いて快速(相模原線内急行)へ種別が変更された。2013年2月22日の改定で、都営新宿線直通の日中の急行は京王線内は「区間急行」(停車駅は2013年2月21日までの通勤快速と同じ) に置き換わった。このため現行ダイヤでは平日・土休日ともに唯一昼間時の運転がない種別となっている。
平日朝・夕方以降に運転される橋本始発新線新宿行は、新線新宿まで前面表示器で『新線新宿』と『本八幡まで先行(2013年2月21日まで)』を、側面表示器で『急行|新線新宿』→『新線新宿から各停本八幡行』→『本八幡まで先に到着(2013年2月21日まで)』・『都営新宿線直通(2013年2月22日から)』をそれぞれ交互に表示されていた。
相模原線とのポイントを通過し相模原線を左に分けると、地上に出る。西調布駅を過ぎて中央自動車道をくぐると右手に味の素スタジアムが見えてすぐが飛田給駅である。左右にカーブを切りながら府中市に入り市道の切り通しを越えて、武蔵野台駅へ。駅端からすぐに土手を上り、市道、西武多摩川線、市道を越え、地上に降りて右にカーブを切って多磨霊園駅へ。このカーブでは京王の曲線制限としては最も高い105 km/h制限の標識が立っているが、京王ライナーや特急など最高速度を出す列車は先行する各駅停車の関係で直後の信号で減速信号に掛かることが多いため、この最高制限速度を出す列車は少ない。続く東府中駅は下り線のみ待避線を持ち、さらにその南隣に競馬場線専用ホームがある。競馬場線を左に分けて旧甲州街道を斜めに横切り、線路も左にカーブを切りそのまま高架へ上ってゆく。小金井街道を越えて2面4線の府中駅に着く。
八幡山駅周辺では交通量の多い環状八号線と交差することから、1970年に高架化が行われた。改良を重ねながら1987年には島式ホーム側の副本線と外側に主本線となる通過線、引上線を設置した現在の配線となった。また、仙川駅周辺についても掘割区間となっており、すでに立体化されている。
2004年、代田橋 - 仙川間が東京都から立体化の検討を対象とする区間に指定され、そのうち代田橋 - 八幡山間は国土交通省の2008年度予算案において連続立体交差化の新規着工準備区間として認められた。4.3kmの当該区間にある16か所の開かずの踏切の除去、明大前駅の駅前広場整備などが予定されており、この区間に関してはより交通渋滞の緩和が見込め、八幡山駅付近などの既存線も活用できる高架化が行われることになった。東京都が2011年1月に公開した本区間の連続立体交差化および複々線化事業の環境影響評価準備書において、笹塚 - つつじヶ丘間(8.
1998年(平成10年)7月1日 - 経営会社が京王電鉄に改称。
2001年(平成13年)3月27日 - 準特急の運転を開始。相模原線特急を廃止。
2011年(平成23年) 3月13日 - 動物園線との直通運転を休止(※東日本大震災の影響)。 7月2日 - 特急の運転を休止(※東日本大震災の影響)。 9月23日 - 特急の運転、動物園線への直通運転、都営地下鉄新宿線直通急行の運転を再開。 10月2日 - 京王形ATSによる地上信号機の自動閉塞式から、京王ATCによる車内信号式に変更。
2012年(平成24年)8月19日 - 柴崎 - 西調布間地下化。ダイヤ改定により、特急の設定が一時的になくなる。
2013年(平成25年)2月22日 - ダイヤ改定で特急を再設定、相模原線直通特急も復活。駅ナンバリングを導入。
2015年(平成27年)9月25日 - ダイヤ改正で準特急が京王八王子、相模原線に運転拡大。
2018年(平成30年)2月22日 - ダイヤ改正で新宿駅 - 京王八王子駅・橋本駅間にデュアルシート車の5000系による座席指定列車「京王ライナー」の運転を開始。
2021年(令和3年)10月31日 - 国領駅付近で京王線刺傷事件が発生。
2022年(令和4年) 3月12日 - ダイヤ改正で特急の停車駅を従来の準特急の停車駅に変更し、準特急を廃止。 3月15日 - 国土交通省から笹塚駅 - 仙川駅間連続立体交差事業の認可期間の延伸を告示。2030年度末まで。