京王線
小さな起伏を超え、右に大きくカーブを切るところに、下高井戸駅がある。ここでは左から東急世田谷線を迎える。下高井戸駅を出ると再び起伏があり、向きを西北西に変え、車両基地(かつては工場もあったが現在は留置線のみ。詳細は若葉台検車区を参照)のある2面4線の桜上水駅へ。続く上北沢駅は京王線では数少ない島式1面の駅である。上北沢駅付近からしばらく首都高速道路との距離が離れる。上北沢駅を出ると高架駅の八幡山駅に向け駆け上る。八幡山駅は京王線では唯一、ホームのない通過線があり、なおかつ外側2線が本線の駅である。その高架により環八通りを越える。左に高架の電留線を見ながら高架線から駆け下りて、左にカーブを切って芦花公園駅、西南西に向かって、烏山川を跨ぎ、千歳烏山駅である。この付近はバイパスである国道20号と多少離れるが、旧道とは近い。
この区間では代田橋駅 - 仙川駅間で連続立体交差事業が進行中である(連続立体交差化事業・複々線化計画を参照)。
1978年の京王新線の開業により複々線化を完了、その後1983年に京王線側の初台駅 - 幡ヶ谷駅付近を地下化し、いずれも完了した。ただし、笹塚 - 京王線新宿間上り線(京王新線との立体交差部)に幡ヶ谷3号踏切が残る。
京王線の路線図ではピンク(■)、英語では「Special Express」と表記される。
京王線新宿駅発着の折返しで運転される。ダイヤの乱れが発生しない限り京王電鉄の車両のみで運転される。
1963年(昭和38年)から定期運転を開始し、当初新宿駅 - 京王八王子駅(当時の東八王子駅)間最速40分運転で設定された。5000系(初代)時代に最高速度105 km/hへの引き上げと最速所要時間35分への短縮(当時は分倍河原駅・北野駅は通過していた)が行われ、2001年3月の改定で調布駅 - 北野駅 - 京王八王子駅間の最高速度110 km/hへの引き上げと最速34分化(上り最速35分)が行われた。その後、府中方面を走る特急については、シーズンダイヤの分割併合と運転パターンの違いにより所要時間が延び、2006年9月のダイヤ改定で調布駅地下化工事に伴う徐行運転のため最速所要時間はさらに増加し時刻表上の最速所要時間(分単位)は下り37分、上りは39分となった。2013年ダイヤ改定以後の最速所要時間(分単位)は上り下りともに38分、日中の標準所要時間は下り42分、上り41分である。1992年から2001年3月のダイヤ改定までは現在と停車駅が異なる相模原線系統の特急も運転されていた。
現行ダイヤでは京王線新宿駅 - 京王八王子駅間・京王線新宿駅 - 高尾山口駅間・京王線新宿駅 - 橋本駅間の3系統が運行されている。その他にも平日朝には京王多摩センター発京王線新宿行きが運行されている。最速達列車の京王ライナーには土休日夕方から夜間の京王八王子行き一部列車が調布で抜かれる。
また途中で種別が変わる列車が設定され、早朝に京王八王子駅始発で各停高幡不動駅行き、高幡不動駅より準特急京王線新宿駅行きが設定された。
2018年2月22日のダイヤ改正で、平日の朝夕ラッシュ時間帯にも一部の種別を準特急へ置き換えて運転本数を増加、これに2019年2月22日のダイヤ改正でも上り京王多摩センター駅発と橋本駅発各1本ずつの新宿駅行きを急行から準特急に格上げした。また競馬開催日の臨時系統として府中競馬正門前駅発京王線新宿駅行臨時準特急(東府中駅にも臨時停車扱いで停車する)が3本設定された(運行開始は4月から)。
2020年2月22日のダイヤ改正で、平日の一部の列車が変更され始発列車の新宿駅発高尾山口駅行が、高幡不動駅から各駅停車高尾山口駅行となり、早朝の高尾駅発京王線新宿駅行きも1本設定された。
2022年3月12日のダイヤ改正で当時の特急停車駅に笹塚駅・千歳烏山駅・京王片倉駅・山田駅・狭間駅が追加され、再度停車駅が同一となったため、準特急は特急に統合され、「準特急」の種別名称は廃止された。
かつてはフルカラーLEDの行先表示器を搭載した7000系・8000系・9000系は、北野まで前面表示は『北野』と『高尾山口まで先行』を、側面表示器は『準特|北野』→『北野から各停高尾山口行』→『高尾山口まで先に到着』といった形で切り替え表示していた。2013年から準特急自体が北野駅 - 高尾山口駅間の各駅に停車するようになったため、このような案内は行われなくなった。
1934年(昭和9年)1月19日 - 代々幡駅を幡ヶ谷本町駅に改称。
1935年(昭和10年) 2月8日 - 松原駅を帝都電鉄(現・井の頭線)交差地点に移転し明大前駅に改称。 11月12日 - 臨時競馬場前駅開業。
1936年(昭和11年) 6月(日付不詳) - 幡ヶ谷から旧幡代小学校駅までの甲州街道上の併用軌道を、玉川上水を暗渠化した専用軌道に移設。
1937年(昭和12年) 5月1日 - 四谷新宿駅を京王新宿駅に、停車場前駅を省線新宿駅前駅に、京王車庫前駅を桜上水駅に、市公園墓地前駅を多磨霊園駅に、関戸駅を聖蹟桜ヶ丘駅に、百草駅を百草園駅に、高幡駅を高幡不動駅に改称。 9月1日 - 幡ヶ谷本町駅を幡代駅に、松沢駅を八幡山駅に、上高井戸駅を芦花公園駅に、八幡前駅を東府中駅に改称。
1938年(昭和13年)3月25日 - 下高井戸駅を日大前駅に改称。
1939年(昭和14年) 天神橋駅廃止。 7月21日 - 神宮裏駅を西参道駅に改称。
1940年(昭和15年)10月26日 - (旧)東府中駅を統合し臨時競馬場前駅を東府中に改称。
1944年(昭和19年) 5月31日 - 陸上交通事業調整法により、東京急行電鉄に合併され、同社の経営となる。 6月1日 - 日大前駅を下高井戸駅に改称。
1945年(昭和20年) 5月25日 - 山の手大空襲で京王新宿駅と天神橋変電所が被災。電圧低下で新宿駅南口の跨線橋の坂を電車が上れなくなり、京王新宿 - 新町間を休止。