なお、各駅停車については従来通り8両編成での運転となっている。各駅停車のみが停車する駅においては渋谷駅地下化後にホーム延伸工事が行われたが、非常時に優等列車を停車させるための設備であり、柵で閉鎖され、ホームドアもない。また、副都心線の各駅停車のうち東京地下鉄7000系や東京地下鉄17000系には8両編成も存在する[注釈 13]が、これは東横線・みなとみらい線との相互直通運転において、主に各駅停車としての運用に就くためである。

2022年3月12日ダイヤ改正からの運行パターンとしては、日中16本/時のうち各駅停車2本/時が渋谷駅折り返しとなる以外はすべて副都心線に乗り入れる。このうち東横線特急が副都心線内急行・西武線内快速急行の最速達列車として[58][104]、西武池袋線小手指駅発着および、東武東上線内急行の東上線森林公園駅発着のFライナーとして運転される。東横線急行（毎時4本運行）は副都心線内各駅停車の和光市駅発着となり、東新宿駅で後続の急行（東横線特急）を待避する。各駅停車は日中毎時6本が副都心線に直通するが、うち日中毎時2本は池袋駅折り返しとなっている。

副都心線との直通運転に伴い、地上から地下への線路切り替えが行われた代官山駅付近。

9000系などの副都心線への乗り入れ対象外の車両は、直通運転開始前に全編成が運用を離脱した。

みなとみらい線との相互直通運転

2004年2月1日から、横浜駅で横浜高速鉄道みなとみらい線と相互直通運転を行っている。

横浜駅では東横線の渋谷方面発横浜行き（平日1本、土休日2本）と横浜発東横線渋谷方面行き（平日1本のみかつ急行）および、みなとみらい線の横浜発元町・中華街行き始発電車を除く全列車が直通運転を行っているほか、横浜駅では会社間における乗務員の交代を行わずに東急の乗務員が引き続きみなとみらい線内を通しで乗務すること、横浜高速鉄道の自社車両であるY500系が東横線の元住吉検車区所属であること、みなとみらい線内の駅業務を東急の子会社である東急レールウェイサービスが受け持っていることなど、東横線とみなとみらい線は事実上一体となって運行されている。
相鉄線との相互直通運転詳細は「神奈川東部方面線」および「東急新横浜線」を参照

2023年3月18日から、東急新横浜線が開通し新横浜駅で相鉄新横浜線との相互直通運転を開始した[67][69]。

日中時間帯は相鉄いずみ野線湘南台駅方面の列車として運転されているが、一部は相鉄本線海老名駅・かしわ台駅（発のみ）・大和駅（着のみ）・西谷駅発着列車として設定されている[72][105][68]。
東京メトロ日比谷線との相互直通運転（終了）

1964年8月29日から、日吉駅 - 中目黒駅 - 営団地下鉄（現在の東京地下鉄）日比谷線北千住駅間で相互直通運転を開始した。その後、1988年から、日吉駅地下化工事に伴い暫定的に菊名駅まで延長されたが、当時は急行が少なく急行待避も無かったため、利用客からは好評で継続されることになった[106]。地下化工事終了後は、日中は日吉駅までの乗り入れとなったが、目黒線の日吉延伸工事に伴い、2007年8月23日からは終日菊名駅まで直通するようになった。

日比谷線直通終了時点では定期列車の運行区間は主に菊名駅 - 日比谷線北千住駅間であり、朝と夜には武蔵小杉駅や日比谷線南千住駅発着列車も設定されていたほか、平日早朝には日比谷線広尾駅始発の菊名行きが設定されていた。武蔵小杉行は原則東急車の運用であるが、平日朝の1本はメトロ車で運用されていた[107]。

日比谷線は北千住駅から先、東武伊勢崎線（東武スカイツリーライン）に乗り入れているが、東横線・日比谷線・伊勢崎線3線直通列車は設定されておらず、東横線からの列車は北千住まで、伊勢崎線からの列車は中目黒までの乗り入れとなっていた。

日比谷線直通列車は通常は全列車が各駅停車として運転されたが、臨時列車としてゴールデンウィーク・夏休み・クリスマスなどのシーズンには、日比谷線直通の「みなとみらい号」が運転されることがある（詳細は臨時急行「みなとみらい号」の節を参照）。

2001年の特急運転開始時に、日中における日比谷線直通電車の本数が半減し、1時間当たり4本（15分間隔）から2本（30分間隔）となった。

2013年3月16日の副都心線との直通開始を機に日比谷線との相互直通運転を終了し、東横線は全列車が渋谷・副都心線方面の運行となり、日比谷線は全列車が中目黒までの運行に変更された[52][53]。日比谷線直通の代替として、菊名発着の渋谷方面行き列車をそれまでの日比谷線直通と同程度の本数運行している。またこの直通運転終了に伴い、東横線における18m車の運行が終了した。