もともとは横浜駅から先の桜木町駅が終点であったが、2004年（平成16年）2月1日に横浜高速鉄道みなとみらい線（横浜駅 - 元町・中華街駅間）が開業して当路線との相互直通運転を開始するのに伴い、横浜駅 - 桜木町駅間は途中駅の高島町駅とともに同年1月30日限りで廃止された[4][5]。

田園調布駅 - 日吉駅間は複々線であり、うち2線の線路を使用して東横線のバイパス機能を果たしている目黒線（目黒駅 - 日吉駅間）が並走する。2023年（令和5年）3月18日から一部の列車は東急新横浜線（日吉駅 - 新横浜駅間）に直通し、新横浜駅から相模鉄道（相鉄）の各路線（相鉄新横浜線・本線・いずみ野線）との相互直通運転も行っている。

渋谷駅からは東京地下鉄（東京メトロ）副都心線を介して埼玉県の東武鉄道（東武）東上線小川町駅及び西武鉄道（西武）池袋線飯能駅まで、また、横浜駅からは横浜高速鉄道みなとみらい線元町・中華街駅まで相互直通運転を行っている。さらに土休日に運行される有料座席指定列車のS-TRAINは西武池袋線・東京メトロ副都心線および当路線を経由して西武秩父線西武秩父駅 - みなとみらい線元町・中華街駅間で直通運転を行っている。また、小川町駅 - 元町・中華街駅（東武線系統）および飯能駅 - 元町・中華街駅（西武線系統）のそれぞれについて、日中の時間帯に各線内を特別料金不要で最速達で運行される列車（東横線内は特急運転）については「Fライナー｣の愛称がつく。

2013年（平成25年）3月15日までは中目黒駅から東京メトロ日比谷線北千住駅まで直通運転を行っていたが、3月16日に副都心線直通開始とともに取りやめになった。詳しくは「直通運転」の節を参照。
路線データ

路線距離：24.2 km

軌間：1,067 mm

複線区間：

複々線：

田園調布駅 - 日吉駅間 (5.4 km)[注釈 1]


複線：

渋谷駅 - 田園調布駅間 (8.2 km)

日吉駅 - 横浜駅間 (10.6 km)



電化区間：全線（直流1,500 V）

閉塞方式：車内信号閉塞式（ATC-P）

最高速度：110 km/h

沿線風景・地理
渋谷 - 中目黒

明治通り（都道305号）の直下、渋谷スクランブルスクエアと渋谷ヒカリエの間の地下5階に設けられた2面4線の渋谷を出発すると、しばらくは明治通りの直下を南下し、渋谷川の真下をくぐって、渋谷清掃工場付近で南西方向にカーブし、山手線・埼京線・湘南新宿ライン（山手貨物線）などのJR線群をくぐりながら地上に向かって最大35 ‰の急勾配を上る[6]。しばらくすると相対式ホーム2面2線の地上駅代官山に到着する。1986年（昭和61年）3月までホームが渋谷2号踏切とトンネル（渋谷隧道）に挟まれていた関係で有効長が18 m車6両分しかなかったため、20 m車6両編成では中目黒寄り1両、18 m車8両編成と20 m車7両編成では中目黒寄り2両のドアカットを行っていた。