東京メトロ千代田線
綾瀬駅からは常磐線各駅停車、代々木上原駅からは小田急小田原線と直通運転を行っている。北千住駅以西では地下鉄としては珍しく、座席指定の有料特急列車である「小田急ロマンスカー」が地下鉄線内の一部の駅と箱根湯本駅・片瀬江ノ島駅を結んでいる。
北千住 - 綾瀬間は、運賃計算上は常磐線との重複区間で、運賃などの扱いが異なる(後述)。連絡乗車券は、直通するJR東日本(北千住接続、常磐線亀有 - 取手間、他に一部武蔵野線)・小田急電鉄(代々木上原接続、南新宿 - 代々木八幡間、東北沢 - 小田原・片瀬江ノ島・唐木田間および、箱根登山鉄道箱根湯本)の他に東武鉄道への連絡乗車券も発売している(北千住接続)。
千代田線は代々木上原 - 綾瀬間と綾瀬 - 北綾瀬間で運行系統が分けられていたが、路線案内上は本線・支線の区別はなく、駅ナンバリングの番号は設定当初から代々木上原駅から北綾瀬駅まで通しで付番されている。なお、2019年3月16日のダイヤ改正で、北綾瀬駅のホームが10両編成分へ延長されたことに伴い北綾瀬駅から代々木上原方面までの直通運転が実施されるようになった。
当路線は、東京都内の地下鉄で唯一都営大江戸線との乗換駅がない。
日本の地下鉄では東西線、日比谷線と共に起点と終点である両端の駅が地上駅となっている数少ない路線である。
2000年(平成12年)12月2日:小田急線との相互直通運転列車を大増発(日中30分ヘッド)、多摩線唐木田から綾瀬への急行を新設(当初は片道1本のみを小田急車で運転)。千代田線車両の小田急線内での夜間留置(外泊運用)が設定される。
2001年(平成13年)8月26日:綾瀬 - 北千住間で同区間を終日運休にしてのリフレッシュ工事が行われる。
2002年(平成14年)3月23日:小田急線への乗り入れ列車の大半を相模大野駅発着の準急から多摩線唐木田発着の多摩急行に変更(営団車が定期列車としては初めて多摩線にも乗り入れる)。綾瀬 - 北綾瀬間でワンマン運転を開始。
2003年(平成15年)3月29日:営団車での小田急小田原線内発着廃止。定期列車での本厚木・相模大野発着列車は、これ以降2016年3月25日まで小田急車の担当となる。
2004年(平成16年) 4月1日:帝都高速度交通営団(営団地下鉄)の民営化により東京地下鉄(東京メトロ)に承継。 12月11日:小田急線への乗り入れ列車(急行・多摩急行)を増発。小田急車両の綾瀬車両基地での夜間留置(外泊運用)が設定される。
2006年(平成18年)5月15日:朝の通勤時間帯に女性専用車両を導入。
2007年(平成19年) 3月18日:ICカード「PASMO」の供用開始。 9月29日:小田急電鉄が新たな直通用車両として4000形を導入(1000形は2011年までに順次当線から撤退)。
2008年(平成20年) 3月15日:全車指定席特急(小田急ロマンスカー60000形「MSE」)の運転を開始。
西日暮里駅までJR線(山手線など)、西日暮里駅 - 北千住駅間を千代田線、北千住駅から再びJR線を利用する場合(逆方向を含む)、一部の発着駅について「通過連絡運輸」という特別な運賃計算方法がある。詳細は「連絡運輸#通過連絡運輸」を参照。また、これに関連して綾瀬駅 - 西日暮里駅間で千代田線を利用して西日暮里からJR線を利用する場合(逆方向を含む)、綾瀬駅 - 西日暮里駅間の運賃を180円(ICカード運賃は178円。通常は乗車券210円、ICカード運賃は209円)とする特定運賃がある(詳細は「綾瀬駅#特定運賃」を参照)。
2007年3月18日から東京メトロ全線でSuicaと相互利用が可能なPASMOが導入された。同日以降、JR線の駅から入場して東京メトロ線を通過して再びJR線の駅で出場する時、途中連絡改札を通らなかった場合、東京メトロを利用したのか判別できないため、全区間JRを利用したものとして運賃が引き落とされる。この事象が発生するのはJR - 東京メトロ間を途中改札を通過しないで乗り換えができる中野駅・北千住駅・綾瀬駅で途中改札を通過しないでJR - 東京メトロ間を利用した場合である。西船橋駅でも同様の事象が発生するが、西船橋駅の改札を通過しないでJR - 東京メトロ間を利用できるのは平日の朝夕のみで、その他の時間帯は西船橋駅で連絡改札を経由しての乗り換えが必要となる。
代々木上原駅からは小田急小田原線の伊勢原駅まで、綾瀬駅からはJR東日本常磐緩行線の取手駅までそれぞれ相互直通運転を実施している。
特に、常磐緩行線とはほぼ一体化した運行形態になっていて、実質千代田線の延長のようになっている。そのため駅の列車案内では常磐緩行線の存在を強調して、綾瀬行きを「この電車は綾瀬止まりです」と案内したり、北千住駅で常磐線直通列車を「常磐線各駅停車」と案内したりすることもある(これは、北千住駅が常磐快速線との乗換駅になっていることにもよる)。トラブル時には小田急線との直通運転が中止されることは多々あるが、常磐緩行線との直通運転が中止になることは少ない。常磐線からの上り電車のほとんどが千代田線へ直通する一方で、千代田線側からは常磐線へ直通運転をしない電車も多数設定されており、平日8 - 9時台は半数以上が綾瀬行きまたは北綾瀬行きで、日中は約半数が綾瀬駅または北綾瀬駅で折り返している。一方、ラッシュのピーク時間帯のほか、平日の夕夜間や土休日の朝夕は大半が常磐線直通となり、綾瀬駅・北綾瀬駅発着の線内列車は少ない。
常磐線には最遠で取手駅まで直通するが、取手駅発着の列車は平日の朝夕時間帯のみ(2021年3月13日改正までは土曜・休日の朝夕にも取手駅発着の電車が設定されていた)で、主に我孫子駅発着の運転となっている。また、常磐線との直通電車の初電は北千住駅発着で、いずれも4時台に運行されている(松戸発北千住行き・綾瀬発4時38分、北千住発我孫子行き・北千住発4時54分)。東京メトロでは各線の営業運転開始時刻を5時前後に揃えているが、この列車は例外となっている。
また、自動列車運転装置 (ATO) を代々木上原駅 - 綾瀬駅間に先駆けて導入している。
2013年度の事業計画に基づいて北綾瀬駅のホームの有効長を10両編成分に延伸し、2019年3月16日のダイヤ改正で10両編成列車の運行が開始され、北千住・代々木上原・小田急線方面との直通運転も実施されている。常磐線との直通運転区間ではないもののJRの車両も乗り入れている。なお、これ以降も綾瀬駅 - 北綾瀬駅間の区間列車は基本的に3両編成で運転されるが、10両編成の区間列車も数本設定されている。
また、有楽町線の野田市方面延伸(「東京直結鉄道」参照)に関して、一部半蔵門線との共用区間があることや、都心部への遠回りルートになることから、代替案として千代田線を北綾瀬駅から八潮駅、越谷レイクタウン駅または吉川美南駅を経由して野田市まで延伸する構想もある。
E233系2000番台
E233系2000番台