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。その後渋谷2号踏切を閉鎖し、ホームの半分をトンネル内まで延ばすことでドアカットを解消した。

なお、渋谷駅は2013年（平成25年）3月15日の副都心線との相互直通運転開始までは山手線渋谷駅と明治通りに挟まれた位置にあった頭端式ホーム4面4線の高架駅で、渋谷川の右岸を高架で進んでいた（跡地は渋谷スクランブルスクエア、渋谷ストリーム、国道246号横断デッキ、渋谷リバーストリート、渋谷ブリッジ、LOG ROAD DAIKANYAMAになっている）。途中では南に東京都交通局・渋谷営業所のバス群を見下しながらJR線群を跨ぎ、渋谷1号踏切を越えて代官山駅に進入していた。

旧・渋谷駅（2013年3月15日まで使用された高架ホーム）

渋谷駅付近 地上時代 下に渋谷川が見える（2011年8月）