小田急小田原線
全時間帯で運転される。常磐線・千代田線の発着駅は我孫子駅・柏駅・北綾瀬駅(発のみ)・綾瀬駅が、小田急の発着駅は成城学園前駅・向ヶ丘遊園駅・相模大野駅(着のみ・休日のみ)・海老名駅(発のみ)・本厚木駅・伊勢原駅(着のみ・夕方以降)が設定されている。千代田線方面行きの列車は、一部列車を除いて新百合ヶ丘駅で江ノ島線または多摩線発の快速急行の待ち合わせをする。2022年3月12日のダイヤ改正以前は朝夕のみの運転だったが、ダイヤ改正後は今まであった準急を置き換える形で向ヶ丘遊園駅 - 我孫子駅間の列車が一部を除いて20分おきで運転されている。
2004年12月13日から2022年3月11日まで、平日の一部時間帯で経堂駅を通過していた(一部通過扱い)。2018年3月16日までは、常磐線・千代田線直通の列車は平日朝上り列車のみ通過とされていた。2022年3月12日のダイヤ変更から平日・土休日ともに全ての急行が終日経堂駅に停車するようになった。
日中は経堂駅(下りのみ)・成城学園前駅・登戸駅・新百合ヶ丘駅(下りのみ)・町田駅(上りのみ)・海老名駅(下りのみ)で各駅停車に接続する。ラッシュ時は相武台前駅と鶴川駅(上りのみ)で各駅停車を追い抜く列車が多い。特急ロマンスカーの待避は相模大野駅で行われることが多いが、向ヶ丘遊園駅・町田駅・海老名駅(主に上り)・本厚木駅・秦野駅などで行われることもある。常磐線・千代田線直通系統の下り列車のうち、平日夜の唐木田行きは向ヶ丘遊園駅で快速急行を待避するが、それ以外の下り列車は快速急行に抜かれることなく相模大野駅まで先着する。
途中駅から(まで)の種別を各駅停車に変更する列車は俗に「化け急」と呼ばれ、上りは途中駅まで各駅停車で、下りは途中駅から各駅停車で運転される。
下北沢駅の地下化当初は、この区間の複々線化工事の状況や概要を紹介するギャラリーが設置されていた(その後工事の進捗に伴い撤去、世田谷代田駅のコンコースに2017年に設置された「小田急環境ルーム」 に一部が移設された)。 地下化後の線路跡地利用について、世田谷区が2012年7月に独自案を示したが、小田急と都は2011年に合意した内容と異なるとして反発しており、跡地利用の目処が立たない状況となっていたが、2022年(令和4年)5月に下北線路街として全面開業した。
梅ヶ丘 - 喜多見間 沿線地権者や後援者などによる反対運動が起き、工事は非常に遅れた(下記参照)。特に梅ヶ丘駅周辺では根強い反対があり、着工が最も遅れた地域である。この反対運動の一環として1992年5月7日に公害等調整委員会に対する責任裁定申請がなされ、1998年に小田急が申請者に解決金を支払うことなどを内容とした調停が一部成立して終結した。この区間では特に騒音対策を強化した軌道や防音壁を採用している。
日中及び土休日朝下りを除き常磐線・千代田線発着の列車が設定され、多くが成城学園前駅か向ヶ丘遊園駅発着列車だが、一部相模大野駅・本厚木駅(発も設定)・伊勢原駅着の列車もある。2019年3月16日改正では、北綾瀬発着が新設され、また、本厚木発着の列車が平日夜下りに1本と土休日朝上りに2本が新たに設定された。2022年3月12日のダイヤ改正で土休日の千代田線直通の本数が上りは向ヶ丘遊園発9時32分我孫子行きと下りは北綾瀬発18時54分発成城学園前行きの各1本のみとなっている。また、平日の夜間に走っていた本厚木発着千代田線直通の列車は全て廃止となった。2022年3月12日のダイヤ改正で本厚木発の千代田線直通の列車は上り平日の朝5時16分発の我孫子行き1本のみとなった。
ホームの長さの関係で、8・10両編成の列車は新宿駅 - 新松田駅・多摩線唐木田駅間で運転されており、栢山駅 - 足柄駅間の各駅に停車する列車と江ノ島線直通列車は6両編成以下となっている。また箱根登山鉄道線箱根湯本駅発着の各駅停車は4両編成となっている。また、かつては平日のみ箱根湯本発本厚木行きの各駅停車の1本(6両編成)が新松田駅で4両を増結して10両編成となるものも存在した。
代々木上原駅 - 登戸駅間は複々線区間であり、ほとんどの列車が特急ロマンスカー・快速急行、急行、通勤急行、通勤準急に抜かれる(経堂駅・成城学園前駅・登戸駅で乗り継ぐこともある)。
1969年1月1日に新宿 - 新原町田(現・町田)間で初詣客向けに運行。以後、年末年始に毎年運行。詳細は「ニューイヤーエクスプレス」の項を参照。