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}