西武国分寺線
全列車が各駅停車で、国分寺駅 - 東村山駅間の折り返し運転が基本である。本数は平日朝ラッシュ時毎時8往復(7-8分間隔)、平日日中は毎時5往復(12分間隔)、土休日及び平日夕方は毎時6往復(10分間隔)である。2022年3月のダイヤ改正までは平日日中も毎時6往復運行されていたが、小川駅構内で一部線路を共有する拝島線の減便に合わせ毎時1往復削減された。
2019年3月16日ダイヤ改正以前は、日中に新宿線へ直通する本川越駅(夕方は新所沢駅)発着列車があったが、東村山駅周辺の高架化工事に伴い直通運転は休止された。また、早朝には西武園線へ直通する西武園駅発着列車が運転されていたが、2022年3月12日ダイヤ改正以降はすべて東村山駅発着となった。新宿線西武新宿駅方面への直通列車は設定されていない。
2018年3月9日まで、競輪開催時には朝と日中にも西武園駅発着列車が運転されていたが、2018年3月10日のダイヤ改正よりこれらの列車は東村山駅発着の西武園線内運転となり運転区間が短縮された。
2019年3月16日のダイヤ改正以降、前述の新宿線直通休止に伴って、車両の入出庫場所が南入曽車両基地から拝島線玉川上水車両基地へ変更された。そのため、車両の向きがダイヤ改正以降と以前で異なっている。
2006年(平成18年) 9月24日 - 新宿線の運行管理システム更新に伴い国分寺線でも更新。各駅に新型のLED案内表示機が設置される。 11月11日 - 川越鉄道敷設111周年を記念して、旧川越鉄道線内にて記念列車(本川越駅 - 所沢駅間快速急行、東村山駅 - 国分寺駅間各駅停車)が運転される(旧2000系を使用)。また、国分寺駅 - 本川越駅の各駅にて記念乗車券が限定発売される。
2008年(平成20年)6月14日 - ダイヤ改正により日中の新宿線新所沢駅までの直通運転列車を本川越駅まで延長。
2014年(平成26年)11月1日・11月2日 - 「食と音と灯りの融合 Kawagoe REMIX」の開催を記念して、国分寺駅 → 本川越駅間に4000系を使用したイベント臨時電車“アニバーサリートレイン”が運行される。
2015年(平成27年) 1月 - 東村山駅付近高架橋工事に着手。 3月21日 - 川越鉄道敷設120周年を記念して、本川越駅 - 国分寺駅間で特急が2往復運転される(10000系を使用)。また、国分寺駅 - 本川越駅の13駅にて記念乗車券が限定発売される。
2019年(平成31年)3月16日 - 東村山駅周辺の高架化工事進捗に伴い、ダイヤ改正により新宿線への直通運転を休止。
2024年(令和6年)度第2四半期 - 東村山駅付近を高架に切り替える予定。事業調査計画変更前は、2023年度第2四半期の予定だった