東急東横線
一部の列車は東急新横浜線(日吉駅 - 新横浜駅間)に直通し、新横浜駅から相模鉄道(相鉄)の各路線(相鉄新横浜線・本線・いずみ野線)との相互直通運転も行っている。
渋谷駅からは東京地下鉄(東京メトロ)副都心線を介して埼玉県の東武鉄道(東武)東上線小川町駅及び西武鉄道(西武)池袋線飯能駅まで、また、横浜駅からは横浜高速鉄道みなとみらい線元町・中華街駅まで相互直通運転を行っている。さらに土休日に運行される有料座席指定列車のS-TRAINは西武池袋線・東京メトロ副都心線および当路線を経由して西武秩父線西武秩父駅 - みなとみらい線元町・中華街駅間で直通運転を行っている。また、小川町駅 - 元町・中華街駅(東武線系統)および飯能駅 - 元町・中華街駅(西武線系統)のそれぞれについて、日中の時間帯に各線内を特別料金不要で最速達で運行される列車(東横線内は特急運転)については「Fライナー」の愛称がつく。
2013年(平成25年)3月15日までは中目黒駅から東京メトロ日比谷線北千住駅まで直通運転を行っていたが、副都心線直通開始とともに取りやめになった。詳しくは「直通運転」の節を参照。
2003年3月19日のダイヤ改正より運転を開始し、運行開始当初は桜木町(後に元町・中華街)発渋谷行が平日朝ラッシュ時間帯に4本、平日17時から20時30分まで15分間隔で渋谷を発車する桜木町行き(2004年2月1日からは元町・中華街行き)が15本設定されていた。
2006年 3月18日のダイヤ改正より、平日朝ラッシュ時間帯における急行(上下線)の一部、朝7時台の元町・中華街発渋谷行き特急1本、17時から20時30分まで横浜駅に発着する特急渋谷行き15本を通勤特急にそれぞれ変更した。 9月24日のダイヤ改正より、21時台と22時台に渋谷駅を発車する元町・中華街行きの3本を増発した。
2007年 8月23日のダイヤ改正より、目黒線の延伸工事に伴い日吉駅の待避線が使用停止となったことから、それまで一部の通勤特急が同駅で行っていた緩急接続を廃止し、代替として元住吉駅で各駅停車を追い抜く運用に変更された。 11月29日から12月21日までの毎週木・金曜日に、渋谷発元町・中華街行を2本増発した。増発したのは渋谷駅23時19分発と23時52分発であった。翌2008年と2009年の同期間においても同じ時刻で臨時の通勤特急が運転された。
2008年6月22日に目黒線日吉延伸と同時に実施されたダイヤ改正(平日ダイヤは翌23日)で、平日始発から9時台前半までと17時から終電までに運行されている特急(上下線)をすべて通勤特急に置き換えた。これは、横浜市営地下鉄グリーンラインの開業および目黒線の延伸開業に伴い、日吉駅における利便性を向上させるためである。
渋谷駅を島式ホーム1面2線から2面4線構造に変更し列車待避等ができるようにし、東横線側・副都心線側双方から折り返し運転を可能とするためポイントを設置(引き上げ線は設置されない)。
新宿三丁目駅において、東横線方面からの列車が折り返し運転を可能とするため、東新宿寄りにY字型引き上げ線を設置。
一方、東急側ではアプローチとなる渋谷駅 - 代官山駅間の地下化工事完了に伴い、東横線の渋谷駅は地上2階から地下5階にある副都心線渋谷駅ホームに移設し、高架式ホームは廃止となった。駅舎の撤去後、渋谷駅周辺の再開発事業に活用され、山手線ホームから離れた位置にあったJR埼京線(湘南新宿ライン)渋谷駅ホームをここに移設する計画で、2020年6月に移設された。なお、この副都心線ホームは田園都市線・半蔵門線ホームと改札内での乗り換えが可能であり、これらのホームを一体的に管理するため、副都心線の渋谷駅ホームは、2008年6月14日の開業当初から東急が駅管理業務を行っていた。
副都心線は、開業当初からホームドアを使用したワンマン運転を行っており、かつ、副都心線の車両は10両編成が基本であることから、同線への乗り入れに際し、これらに対応した設備改良が必要となった。このため、2010年度以降に増備された東横線5050系車両は、当初よりATOおよび運転士用ドア開閉ボタンなどを装備し、副都心線におけるワンマン運転に備えていた。また、副都心線との直通運転開始までに、既存の東横線所属の5000系・5050系にも同様の改造工事を施工し、急行停車駅ではホームの延長工事を行った。
東京地下鉄 13000系(鷺沼工場への入出場時に東横線を走行する。)
東京メトロ13000系
埼玉高速鉄道線浦和美園と都営地下鉄三田線高島平から、元町・中華街に向けて、1 - 2か月に1回の割合で「みなとみらい号」が運行されている。2006年8月運転分までは、武蔵小杉で目黒線から東横線に転線し、東横線・みなとみらい線内を急行列車として運転されていた。しかし、同年12月運転分からはさらに目黒線内でも急行運転を行い、同時に目黒線から東横線に転線する駅も田園調布に変更された。また、元住吉駅で臨時停車を行い、後発の特急列車の通過待ちをする。
日比谷線でも同様に、北千住から元町・中華街まで、1 - 2か月に1回の割合で「みなとみらい号」が運行されている。各駅停車として運転される通常の日比谷線直通電車と異なり、東横線内を急行列車として運転する。2007年3月運転分までは日比谷線内でも急行運転を行っていた。