「二子玉川」の「玉川」は開業時の駅所在地が荏原郡玉川村にあったことによる。「二子」は多摩川対岸の川崎市の地名だが、二子塚古墳に因んで大井町線開業時に目黒蒲田電鉄が名付けた[9]。当時は玉川線と大井町線が別会社であったため、三業地として賑わっていた二子地区への最寄り駅として目蒲側が「二子玉川」と名付けたものであり、玉川電気鉄道には別途二子電停（現在の二子新地駅）が存在した。
駅構造

島式ホーム2面4線を有する高架駅である。ホームは外側の1・4番線を田園都市線、内側の2・3番線を大井町線が使用する。敷地の都合上、ホームの中央部から下り中央林間方にかけての大半が多摩川および駅付近で合流する野川を渡る橋（二子橋梁）上に位置する。

その特異な構造のため、ホームの上り方の幅は20メートル程度あるのに対し、ホームの中央部から下り方にかけてのホームの幅は5メートル程度しかない。

かつて上り列車のホームは朝ラッシュ時に、各駅停車と急行の乗り換え、さらには大井町線始発列車待ちの行列もでき、混雑が慢性化していた。その後、2007年4月5日より田園都市線準急の運行開始により各駅停車と急行の乗り換えが無くなり、さらに2009年7月11日には、大井町線の溝の口駅への延伸（田園都市線複々線化）工事の完成により、大井町線始発列車への乗り換え駅が溝の口駅に移動し、当駅ホームでの混雑は大幅に緩和している。

階段は、ホームの渋谷・大井町方とホームの中央部にそれぞれ1か所存在する。ホームの最も上り方の階段を下ると、コンコース・改札口に通じている。上下両ホームの中央部に位置する階段は1・2番線と3・4番線を結ぶ連絡通路である。この通路は改札口と連絡していない。

このような出口構造および、田園都市線の渋谷方の車両の対面に短い大井町線の編成が停車するため、朝ラッシュ時の上り列車では渋谷寄りの車両、特に1 - 3号車は当駅より手前では混雑率が高く、また当駅を過ぎるとやや低下する。

また、2014年4月にホーム、コンコース、旅客トイレ等の照明器具が、東急線で4番目の全駅LED照明となった。
のりば

番線路線方向行先備考
1 田園都市線下り鷺沼・長津田・中央林間方面[10]大井町線からの直通は2番線
2 大井町線溝の口方面[11]
3上り自由が丘・大岡山・大井町方面[12]
4 田園都市線渋谷・押上〈スカイツリー前〉・春日部方面[13]


3番線から渋谷方面へ、4番線から大井町方面へ出発できるようにそれぞれ渡り線（立体交差）が敷設されている。1999年に設置され、3・4番線入れ替え前はこの線路を使って渋谷・大井町方面に向かっていた。2019年現在、4番線から大井町方面への渡り線は長津田方面からの車両回送の際に使用されているが、3番線から渋谷方面の渡り線は定期列車での使用がない。

自動放送は、田園都市線が男声、大井町線が女声となっている。なお、大井町線の放送の音声は他駅が東横線と同じであるのに対し、当駅から溝の口間は田園都市線と同じになっている。また、田園都市線の途中駅での上りホームで男声が使用されている駅は当駅のみであったが、2009年6月15日より溝の口駅でも線路切り替えに伴い男声に変更された。同年7月11日からは、大井町線列車入線時に限り、接近メロディの使用が開始された。

大井町線・田園都市線共に早朝・深夜で当駅始発と終着の列車が設定されており、当駅で夜間滞泊の後、大井町・押上方面へ向かう。

改札口

改札口は上下両ホームから最も渋谷・大井町方に位置する階段を下った位置にある1か所のみである。有人通路はシースルー化されている。付近には複数の店舗が出店している。コンコース上部には人工地盤が用意されており、将来の再開発の準備がなされている。
バリアフリー設備

改札口と連絡する階段にはエスカレーターとエレベーターが設置されている。また、多機能トイレや幅広型自動改札機も設置されている。

ただし、エレベーターに関してはホーム下に道路や堤防があることなど、駅構造上の問題からホームとコンコースを直接結ぶことが不可能であったため、ホームとコンコースを行き来する際にはエレベーターの乗り換えが必要である。すなわち、ホームからコンコースに向かう際には、最初のエレベーターで一旦ホーム上層の連絡通路に昇り、連絡通路を歩いて次のエレベーターでコンコースへ降りることになる。

上下両ホーム中央部の連絡通路は階段のみである。

トイレは1階改札口内、渋谷・大井町方面ホームへの階段付近にある。多機能トイレは男性用・女性用各1室ずつ用意されている。2006年にオストメイト対応化された。
駅構内設備
改札内

売店

toks：上り・下りホーム


サービス施設：いわゆる「駅ナカ」のような整備がなされ、下記を含めた数店の店舗が出店している。

ドミニク・サブロン

ブックファースト

スープストックトーキョー

しぶそば（2016年9月30日に橋脚補強工事に伴い京樽ともに閉店するも、2017年11月8日にリニューアルオープン）

京樽


改札外