開設当初の渋谷駅は、現在の渋谷駅ハチ公口付近の地平にあり、省線山手線のガードをくぐってハチ公口に至っていた東京市電と線路がつながっていた。玉川電車もまた省線山手線のガードをくぐって東口に抜け、直角に南下して稲荷橋から並木橋へと明治通りを天現寺橋まで進んでいた。1937年（昭和12年）7月、玉電ビル建設のため、玉電渋谷駅を道玄坂方向に後退した仮設駅に移設。建設に伴うくい打ちのため、山手線をくぐる隧道も使用不能となり、分断された天現寺橋線の運営を東京市に委託する。翌1938年（昭和13年）12月に東京高速鉄道（現・東京メトロ銀座線）渋谷駅が仮設のような形で玉電ビル3階に設置され、続いて2階に玉電渋谷駅が移設される。時局の悪化のため、7階建てで設計された玉電ビルは3階までで建設を中止。戦後、1952年（昭和27年）から工事が再開され、東急東横店西館となる。玉電渋谷駅の廃止時の位置は、現在の岡本太郎の壁画「明日の神話」の設置位置から渋谷マークシティの東端部分であり、ホームは対面式2面2線で一方は降車専用、もう一方は手前に下高井戸方面、前方に二子玉川方面と乗り場が分けられていた。

なお、JR渋谷駅に2020年9月まで存在した「玉川口」および「玉川改札」の名称は玉川線が走っていた当時の名残である[18]。

渋谷 - 道玄坂上間には44.7‰の勾配が存在していた。上通 - 大橋間は東京都交通局のトロリーバス（102系統）が並走し、交差する架線部分にはデッドセクションが設けられた[19]。

道玄坂から先はほぼ併用（路面）軌道であったが、渋谷 - 上通間、三軒茶屋 - 玉電中里 - 上馬間、桜新町 - 用賀間、玉電瀬田 - 二子玉川園間、支線の三軒茶屋 - 下高井戸間（現在の世田谷線）に専用軌道が存在した。用賀付近の専用軌道跡は1990年（平成2年）頃まで東急の物置き場として静かな佇まいを残していたが、その後、東京都道427号瀬田貫井線に転用された。玉電中里、駒沢、用賀には駅舎と売店が設けられていた（駒沢は東京オリンピックに備えた道路拡張の際に消滅）。

併用軌道で大坂を下り、目黒川を渡り、大橋車庫を過ぎ、三軒茶屋の三叉路（国道246号と世田谷通りの交点）に至る。三叉路の中央に信号塔が設置され、ここでポイントの操作が行われ玉川線（本線）と支線の下高井戸線が分岐し、本線は国道246号を進行した。

本線は、三軒茶屋を通過後、道路拡幅後は上下線とも上り車線上に敷かれた併用軌道上を走行、玉電中里付近から上馬まで専用軌道に入り、駒沢を過ぎると旧大山街道を進む。新町付近では疏水（品川用水）に寄り添い、桜新町の桜並木をみて、やがて用賀付近で再び専用軌道へ入り用賀に至った。用賀の先で併用軌道に戻り瀬田交差点で環八通りを横断、玉電瀬田から先は右手に多摩川の河原を眺めつつ国分寺崖線を専用軌道で下り、二子玉川園に到達した。@media all and (max-width:720px){.mw-parser-output .mod-gallery{width:100%!important}}.mw-parser-output .mod-gallery{display:table}.mw-parser-output .mod-gallery-default{background:transparent;margin-top:.3em}.mw-parser-output .mod-gallery-center{margin-left:auto;margin-right:auto}.mw-parser-output .mod-gallery-left{float:left;margin-right:1em}.mw-parser-output .mod-gallery-right{float:right}.mw-parser-output .mod-gallery-none{float:none}.mw-parser-output .mod-gallery-collapsible{width:100%}.mw-parser-output .mod-gallery .title,.mw-parser-output .mod-gallery .main,.mw-parser-output .mod-gallery .footer{display:table-row}.mw-parser-output .mod-gallery .title>div{display:table-cell;text-align:center;font-weight:bold}.mw-parser-output .mod-gallery .main>div{display:table-cell}.mw-parser-output .mod-gallery .gallery{line-height:1.35em}.mw-parser-output .mod-gallery .footer>div{display:table-cell;text-align:right;font-size:80%;line-height:1em}.mw-parser-output .mod-gallery .title>div *,.mw-parser-output .mod-gallery .footer>div *{overflow:visible}.mw-parser-output .mod-gallery .gallerybox img{background:none!important}.mw-parser-output .mod-gallery .bordered-images .thumb img{outline:solid #eaecf0 1px;border:none}.mw-parser-output .mod-gallery .whitebg .thumb{background:#fff!important}

玉川線の真中駅付近を走るデハ200形電車（1969年撮影）

1968年の秋 玉電瀬田駅を望む

1968年頃 玉電身延山別院前駅跡付近

1969年頃 二子玉川園駅ホームにて

1969年二子玉川園駅にて玉電さよなら電車

車庫

車庫は大橋に設けられ、渡り線は大橋、三軒茶屋、玉電中里、駒沢、用賀に設けられた。用賀にも車両基地予定地が存在し、第二次世界大戦末期には空襲に備え大橋車庫の車両の一部が疎開していた。また、最後の新型車両150型の入線もここの引き込み線から行われた。大橋車庫では当初、電気供給事業も行っていた。大橋車庫はのち東急バス大橋営業所に転用され、現在は首都高速道路大橋ジャンクションになっている。二子玉川園の駅にあった留置線は玉川��島屋用地となった。用賀の玉川線車両基地予定地は、玉川線の廃止後に一時新玉川線構想（銀座線延伸案）の車庫として構想されたこともあったが転用されることなく、久しく空き地であった。新玉川線の起工式は1964年（昭和39年）2月、ここで行われた。1993年、この用地に世田谷ビジネススクエアが竣工した。
車両

1920年の改軌で開業以来の二軸単車が淘汰され、木造ボギー車で置き換えられた。その後は、鋼製ボギー車がそれに続いた。

これらは単純な直接制御器を搭載しており、連結運転時の総括制御が行えず1両編成での運転が長く続いたが、デハ70形へ間接非自動制御器（HL方式）を搭載したのを皮切りに、デハ80形の新製、木造車であるデハ1・20形のデハ80形への車体更新、さらには鋼製車のデハ30・40・60形に対する連結化改造に伴い総括制御の可能な間接制御器への置き換えが進み、第二次世界大戦後、2両連結運転によるラッシュ時の輸送力増強が実現した。

また、一軸台車による2車体連接構造の奇抜な流線型高性能電車デハ200形を1955年（昭和30年）に導入。「タルゴ」「ペコちゃん」の愛称が普及した。また芋虫型に見えたことから「イモ電」「いもむし」と呼ばれることもあった。

その後は地下鉄建設計画の推移もあって車両更新が進まず、東横線デハ7000形の米国バッド社ライセンスによるオールステンレス車体技法を取り入れた鋼製車デハ150形4両が新造されるにとどまった。

行先標は横長の物が正面中央に付けられ、本線系統は白地に黒文字で「渋谷」「二子玉川」など、支線系統は赤地に白抜き文字で「渋谷」「下高井戸」などと書かれていた。なお、行先標は後に起終点を矢印で結んだものに変更された。また150形は行先標の代わりに同様の方向幕が上部に付いていた。

2両連結の場合、1967年（昭和42年）より合理化の一環としてデハ70・80・150・200形の4形式について「連結2人のり」の標識が車外に取り付けられ、乗客は車両の前・最後部で乗車し、各車中央、連結寄り扉で降車するように改められた。乗務員は運転士（1両目）と車掌（2両目）だけであった。この方式は現在も世田谷線で実施されている。
遺構

併用軌道区間が長かった玉川線は、廃止後、併用軌道区間の道路整備が進み、また、大橋車庫跡が首都高速道路大橋ジャンクション用地に転用されるなどし[注釈 5]、構築物の撤去が進んだ。

廃線後、渋谷駅跡はバス乗り場に転換され、東名急行バス（現在は解散）、大井町駅や世田谷野沢方面行きなどの路線バスや東急百貨店東横店と東急百貨店本店を連絡する無料送迎バス、高速バス・ミルキーウェイが発着した。終端部分はターンテーブルによりバスの向きを転換する方式であった。