東急田園都市線
田園都市線は全体として勾配の多い路線であるが、掘割、隧道を多用しているため曲線は緩く、線形は比較的よい。また、1989年に田奈駅 - 長津田駅間の田奈1号踏切が廃止されたことで、東急で唯一営業区間には踏切が一つも存在しない路線となっている。地上区間は急なカーブのある二子玉川駅東側 - 高津駅間、梶が谷駅と江田駅、鷺沼駅の西側および長津田駅の前後は徐行するものの、それ以外はほとんどの区間を100km/hで走行し、さらに藤が丘駅前後とつくし野駅以西は最高速度の110km/hで走行する。また、地下区間は最高90km/hで、急なカーブのある桜新町駅東側と渋谷駅西側はおおむね65km/h、および通過線の設けられていない池尻大橋駅、三軒茶屋駅、駒沢大学駅、用賀駅の各駅は75km/hで走行する。
11月11日 高津駅新下りホーム完成に伴い二子新地 - 溝の口間の下り線を切り替え。 12月2日 渋谷駅の業務を東京地下鉄から東急電鉄に再移管(駅業務は東急レールウェイサービスが担当)。
2008年(平成20年) 3月28日 ダイヤ改正を実施。準急運転時間帯を10分拡大、これにより中央林間駅始発の準急が運行開始。 9月16日 鷺沼駅での信号トラブルによる混雑により酸欠状態が発生。15人が病院に搬送、72人が体調不良を訴える。
2009年(平成21年)7月11日 ダイヤ改正を実施。二子玉川 - 溝の口間が複々線化。大井町線が溝の口駅まで乗り入れ。
2010年(平成22年)3月25日 ダイヤ改正を実施。大井町線で夜間に運転区間が長津田まで延長される急行を1本から4本に増発。
2011年(平成23年) 3月14日 同月11日に発生した東北地方太平洋沖地震(東日本大震災)による発電所の停止に伴う電力供給逼迫のため、東京電力が輪番停電(計画停電)を実施。これに伴い、この日から東武伊勢崎線・東武日光線との相互直通運転が休止される。この日から大井町線の二子玉川 - 溝の口間への乗り入れが朝夕の数本を除き休止される。 4月2日 東武伊勢崎線・東武日光線との相互直通運転が再開される。 5月28日 日中の大井町線の急行が長津田 - 大井町間で直通運行を開始する。 7月2日 土休日ダイヤが平常に戻り、土休日日中の大井町線直通急行が運行を終了する。 9月10日 大井町線の二子玉川 - 溝の口間への乗り入れが全面的に再開される。日中の大井町線急行の長津田 - 大井町間直通運行を終了する。
田園都市線と大井町線は二子玉川駅を介して一部の列車が直通運転を行っている。直通列車は両線が並行する二子玉川駅 - 溝の口駅間では田園都市線の線路を走行する。
大井町線用の車両で運転されるが、同路線用の9000系・9020系には田園都市線内での誤乗防止を図るため先頭車の前面の帯を赤と黄のグラデーションにするとともに先頭車の前面下部と側面窓間に「大井町線」を表すステッカーが貼付されている。
急行
平日・土休日の日中に上下線で毎時3本と、夜間には下り列車が運転されるほか、平日の早朝に1本上り列車が運転される。直通運転する列車は日中は大井町駅 - 中央林間駅間の運転であるが、夜間は長津田駅発着となる。朝夜間の列車については一部異なるものの、おおむね二子玉川駅・鷺沼駅・長津田駅で田園都市線の各駅停車と接続しており、渋谷駅 - 用賀駅間ならびにつくし野駅 - 中央林間駅間、田奈駅 - 梶が谷駅の各駅への利便性も確保されている。
大井町線への直通列車は、土休日朝に臨時列車として運行が開始された後、2006年3月18日のダイヤ改正から定期化された。
溝ノ口線は玉川線との直通運転を基本としていたが、戦争に伴う輸送力増強のため一般鉄道用車両を通すことになり、1943年(昭和18年)7月1日に軌間が1372mmから1067mmに改軌されるとともに大井町線に編入され、1945年(昭和20年)に地方鉄道法に基づく鉄道に転換された。この結果、大井町線は大井町 - 二子玉川 - 溝の口間という運転系統となる。その大井町線も1963年(昭和38年)10月11日に田園都市線に名称変更された。したがって、新たに「田園都市線」となった当時は大井町 - 二子玉川 - 溝の口間であった。
鉄道転換後も、東京府(現・東京都)・神奈川県と共に共同出資して建設された道路橋である二子橋上の併用軌道で多摩川を渡っていたが、単線で輸送上のネックとなっていたこと、併用軌道を車体の大きい一般鉄道車両が渡ることによる接触事故の多発、重量の大きい車両が渡ることを想定していなかった二子橋の強度上の問題など、種々の問題を解消するため、複線の専用橋に移設されることになり、1966年(昭和41年)4月1日の溝の口 - 長津田間の開業に先んじて、3月19日に多摩川を挟む二子玉川園(現・二子玉川) - 二子新地前(現・二子新地)間が高架化。複々線化工事が始まるまでの二子玉川 - 溝の口間の形となった。
開業前のつきみ野 - 中央林間間で鉄輪式リニアモーターカーの実験が行われていたことがある。これは、同区間にすでに建設されていた掘割と軌道敷を利用して開発中であった鉄輪式リニアモーターカーの走行実験が行われたものである。
1992年9月11日のダイヤ改正から朝ラッシュ時に鷺沼始発の上り急行が2本設定され、さらに1995年11月24日のダイヤ改正で1本追加されて、計3本が運転されていたが、2004年10月19日のダイヤ改正からすべて長津田始発に変更され消滅している。
2007年4月5日のダイヤ改正で、平日朝ラッシュ時に運転されていた上り急行のうち朝8時台に渋谷駅に到着する13本について準急に置き換えられた。また、2014年6月21日のダイヤ改正では平日朝ラッシュ時の下り急行も準急に置き換えられ、これにより朝ラッシュ時には急行は上下とも運転されなくなった。
あざみ野駅・南町田グランベリーパーク駅には運転開始当時停車していなかった。
あざみ野駅は、1993年3月18日の横浜市営地下鉄3号線(横浜市営地下鉄ブルーライン)の新横浜駅 - あざみ野駅間開業により地下鉄との乗り換え駅となると、その後港北ニュータウンの開発の進捗とともに駅の利用客が増加した。横浜市から2000年にあざみ野駅への急行停車の要望が出されたことを受け、2002年3月28日から同駅が停車駅に加えられた。
2005年2月14日より5000系に6ドア・座席格納車両(以下「6ドア車」)の連結が順次行われた。これは、渋谷駅のホームにある階段やエスカレーターが近いために特に混雑する車両である5・8号車のドアの数を通常の4か所より多い6か所とすることで乗降時間の短縮を図り、また平日朝ラッシュ時においては始発の中央林間駅および長津田駅から渋谷駅を経て半蔵門駅まで座席を格納して乗客1人当たりのスペースを拡大することで混雑感の緩和を図るものである。その後、2009年4月から12月までの間に、5・8号車に加えて渋谷駅での乗降が多い4号車にも新たに6ドア車が組み込まれ、6ドア車は1編成あたり3両となった。
6ドア車の3両化は順次行われ、2010年7月の時点で3編成を除いた5000系が6ドア車連結編成となり、平日最混雑時間帯は上り準急に集中的に投入された。6ドア車連結編成が運用される列車では渋谷駅での停車時間が4ドア車のみの列車に比べると3秒短縮されたが、平日朝ラッシュ時の混雑による慢性的遅延の抜本的解消には至っていない。
東急電鉄および乗り入れている東京地下鉄ではPASMO(かつてはパスネットも)を利用することができるが、半蔵門線渋谷駅・南北線目黒駅経由で田園都市線と目黒線を乗り継いだ場合は、PASMOの仕様上東京メトロ線の運賃は計算されず、全線東急線経由で計算される。
渋谷 - 二子玉川(当時は二子玉川園)間は1977年(昭和52年)4月7日に開通した。これは路面電車で1969年(昭和44年)5月11日に廃止された玉川線を継承する新玉川線として開通した路線である。渋谷 - 駒沢大学間は玉川通り(国道246号)に首都高速3号渋谷線と一体的に建設された。
この路線は当初、帝都高速度交通営団(営団地下鉄、現・東京地下鉄、以下本項において同じ)銀座線を渋谷から二子玉川園に延長する形で計画されたが、後に東京11号線(渋谷駅以東は営団半蔵門線)の一部に変更して建設された。この計画変更の理由には、第一に軌間や集電方式の違いから二子玉川園以西に乗り入れることができず大井町線のバイパス効果が薄まってしまうこと、第二に銀座線の混雑が相当激しく、これに直通させるとなると銀座線側にもトンネルの拡幅および新設(付け替え)をした上で編成増強などによる輸送力増強が必要であり、新線建設と同等程度の費用がかかることが判明したことが挙げられる。莫大な資金を要する工事であり、当時の東急社長の五島昇の政界への働きかけもあって、鉄道公団(現・鉄道・運輸機構)の「P線方式」を初めて活用した。
(大井町行き通勤快速)大井町 - 二子玉川園間各駅・溝の口・鷺沼・たまプラーザ・青葉台・長津田以西各駅
(新玉川線直通快速)渋谷 - 二子玉川園間各駅・溝の口・鷺沼・たまプラーザ・青葉台・長津田