東急大井町線
旗の台を出ると中原街道と環七通りを相次いで跨ぎ、北千束駅を経て地下構造の大岡山駅へ進入する。大岡山駅には目黒線も乗入れており、方向別ホームとなっている。駅前には東京工業大学が、駅の直上には東急直営の東急病院がある。駅を出ると右に大きくカーブしながら地下から一気に高架へ上るが、気象条件次第ではここから富士山を望むこともできる。この区間は線路の両側を東京工業大学の敷地に挟まれた形となっており、左手にはグラウンドが、右手には大岡山北3号館を見ることができる。カーブが終わると緑が丘駅に到着する。そしてなだらかに下り、東横線をくぐるところが自由が丘駅である。かつては隣接して自由が丘検車区があったが、検車区機能を鷺沼に移してからは留置線のみが残されていた。その後も段階的に撤去され、5両編成1本分の留置線を残し、その跡地は商業施設である「Trainchi」(トレインチ)に変わった。2007年11月15日をもって平日夕方1本のみ設定されていた自由が丘行が廃止され、留置線は一旦完全に撤去されたが、その後、2009年までに5両編成1本分の留置線が復活・併用開始し、日中に車両が留置されている。
大岡山駅は方向別ホームで目黒線に乗り換えが可能な駅となっている。
大井町線は、品川・大田・目黒・世田谷・川崎の各区市の住宅密集地を走っている。また、東横線と接続する自由が丘や田園都市線と接続する二子玉川駅周辺は「住みたい街ランキング」の上位にランクインすることもある。