東急電鉄・東武鉄道と3社相互直通運転をしている。半蔵門線を挟んで東急側は渋谷駅から田園都市線の中央林間駅まで、東武側は押上駅から伊勢崎線久喜駅および日光線南栗橋駅までそれぞれ運転される。

運行系統上では東急田園都市線と一体的となっており、押上方面は平日始発の清澄白河発東武動物公園行と半蔵門発押上行、渋谷方面は平日最終の押上発水天宮前行と押上発渋谷行を除くすべての列車が東急田園都市線と直通している。

列車はすべて各駅停車であるが、線内では乗り入れ先の列車種別（急行・準急・各駅停車）で案内している。