西武有楽町線
現在は本路線を経由して飯能駅 - 新木場駅間(東京メトロ有楽町線)ならびに飯能駅 - 元町・中華街駅間(副都心線・東急東横線・横浜高速鉄道みなとみらい線)で相互直通運転を行っており、もっぱら池袋線と東京メトロ線をつなぐ連絡線的な役割となっている。
線内のみ運転の列車は設定されておらず、全列車が池袋線石神井公園以西を始発・終着としている。また小竹向原駅が起終点となる列車は上下の初電・終電各1往復と平日ダイヤの朝下り小手指行き1本のみで、それ以外の列車は東京メトロ線と直通運転を実施している。
列車種別はS-TRAIN・快速急行(Fライナーを含む)・快速・準急・各駅停車があり、以下の区間に設定されているが、本路線内はS-TRAINと快速急行を除いた全列車が各駅に停車する。S-TRAINは、平日ダイヤに下り列車が練馬駅に停車するのみで、それ以外は練馬駅での保安装置切り替え(ATC⇔ATS)、小竹向原駅での保安装置切り替えと乗務員交代に伴う運転停車(客扱い無し)のみとなる。
朝の最小運転間隔は2分、日中は1時間あたり8本程度運転でこのうち2本(おおむね30分おき)が快速急行、1本が準急である。
1968年(昭和43年)9月5日 - 営団地下鉄と西武鉄道との間で列車の相互直通運転に関する覚書が交わされる。 この時点では1973年(昭和48年)の相互直通運転開始を予定し、有楽町線は向原(仮称) - 明石町(現・新富町駅)間・西武線は向原(仮称) - 清瀬駅間で直通運転することを計画した。
1970年(昭和45年)5月25日 - 練馬 - 向原(仮称)間の地方鉄道敷設免許取得。
1980年(昭和55年)3月 - 建設工事に着手。
1983年(昭和58年)10月1日 - 新桜台 - 小竹向原間(1.2km)開業。小竹向原駅より帝都高速度交通営団(営団地下鉄)有楽町線との直通運転を開始する。 この時点では、当路線は西武鉄道の他路線と接続しておらず、営団車両のみで運行。
1994年(平成6年)12月7日 - 練馬 - 新桜台間(1.4km)、暫定的に下り線のみの単線で開業(練馬駅付近の高架化工事が遅れたため)。同日営業開始の営団有楽町線新線との直通運転実施。 この時点では練馬駅折り返しとされ、池袋線との直通は行われなかった。ただし線路自体は池袋線と接続されたため、自社車両(6000系)の使用を開始。