2008年（平成20年）6月14日の副都心線開業と同時に利用を開始した島式ホーム2面4線を有する地下駅であり、明治通りの直下の地下5階に位置している[注釈 7]。

中線である4番線・5番線を利用して、東横線方面・副都心線方面の双方の電車が当駅で折り返し運転を行えるように、それぞれ両渡り線が設置されている。ただし、引き上げ線は当駅には設置されず、その代替として新宿三丁目駅の東新宿寄りに設置されている。このため、朝・夕に東横線からの新宿三丁目行が設定されている。

東横線方面からの列車には、副都心線には直通しない当駅折り返し列車が終日にわたり多数設定されている。早朝・深夜の折り返し列車の一部は、副都心線ホームである5番線から発車するが、大半の折り返し列車は当駅直前の渡り線を利用して副都心線ホームとは反対側の4番線に到着することから、東横線から引き続き副都心線を利用する場合は事前に副都心線直通列車に乗り換える方が便利である。

一方、副都心線への当駅始発列車は平日ダイヤの初電と夕方の計2本、土休日ダイヤの初電と夕方以降の計4本のみであり[注釈 8]、副都心線からの当駅終着列車は終電のみとなっている[報道 32]。

当駅は東急電鉄と東京メトロが工事を分担した（銀座線高架以南は東急、それ以外は東京メトロが工事主体）。駅管理は副都心線開業時から東急が行っていたが、これは東横線と副都心線の相互乗り入れ開始時に当駅と田園都市線・半蔵門線の駅を一体的に管理するためである。

副都心線の開業と同時に東急電鉄直営の定期券うりばが開設（田園都市線から東急、半蔵門線から東京メトロがそれぞれ移転・統合）されたが、東京メトロ直営の定期券うりばは当駅になく、旧・銀座線の改札外コンコースにあった。しかし銀座線の駅移設に併せ、2019年（令和元年）12月27日に閉鎖されている[24]。さらに2024年（令和6年）1月31日に半蔵門線・副都心線の定期乗車券の取扱を終了している。

副都心線（東横線）と半蔵門線（田園都市線）は相互の改札内乗換が可能である。一方、銀座線の駅は引き続き東京メトロが管理し、改札外乗換となる。そのため、副都心線と銀座線を乗り継ぐ際は60分の乗り換え時間の制限が設けられ、切符で乗り換える時は当駅での乗り継ぎ用自動改札機（オレンジ色）を通る必要がある（運賃が不足する場合は、乗り継ぎ用の自動精算機で運賃精算）。また、半蔵門線経由で表参道駅で乗り換える方法もある。2013年3月15日までは田園都市線・半蔵門線と乗車券の扱いが同一であるため、乗り継ぎ用自動改札機（オレンジ色）は東急における田園都市線と東横線の乗り継ぎの扱いにも対応していた。

駅の設計は建築家の安藤忠雄である[37]。駅全体は「地宙船（地中の宇宙船）」をテーマとしたデザインが施され、新宿三丁目駅や明治神宮前駅と同様にホーム階からコンコース階に達する円形の吹き抜けが設置されており、当駅のホームにも「地宙船」をイメージした模型が設置されている[37]。

地下駅でありながら、機械を一切設置しない自然換気システムを世界で初めて採用するとともに、ホームの床下や天井には冷水を循環させる「放射冷房システム」も採用し、地球環境に配慮した設計を取り入れている[37]。なお、自然換気システムは東急文化会館跡地に建設された複合施設「渋谷ヒカリエ」開業までは仮設の換気塔を設置して対応した[37]。

発車ベルメロディ（発車サイン音）として、東横線3・4番線ホームおよび5番線からの東横線始発列車にて「Departing from New Shibuya Terminal」（向谷実作曲）、副都心線5番線ホームにて「おとぎのワルツ」（スイッチ制作、塩塚博作曲）、6番線ホームにて「愛ステーション」（同、福嶋尚哉作曲）を使用している[報道 33][38]。

有料座席指定列車「S-TRAIN」は、土曜・休日ダイヤのみ東横線・副都心線に入線し、当駅にも停車する。なお、当駅から東京メトロ線内のみの乗車はできない（西武池袋線石神井公園駅から当駅まで、また当駅から東横線自由が丘駅の乗車は可）[報道 34]。

配線上、東横線4番線と副都心線5番線が主本線、東横線3番線と副都心線6番線が副本線である。

一部の列車は緩急接続が行われるが、当駅発着列車は4番線と5番線の主本線で折り返すため、一部の優等列車は3・6番線の副本線に入線する。

相互乗り入れ開始までは、現在の3番線と6番線（旧4番線）のみを使用していた。

日中は種別ごとにホームが使い分けられており、3番線から各駅停車、旧4番線から急行が発車していた。

ポイント（分岐器）を二度通過するため、3番線の列車は発車後、旧4番線の列車は到着前に大きく揺れていた。


配線上、3・6番線からの折り返しは出来ない。相互乗り入れ開始までは明治神宮前寄り、主本線・副本線の合流の先に両渡り線があったが、乗り入れ開始により撤去され、副本線での折り返しは不可能となった。


渋谷ヒカリエ1改札
（2021年12月）

渋谷ヒカリエ2改札
（2021年12月）

3・4番線ホーム
（2021年6月）

5・6番線ホーム
（2021年6月）

駅名標
（2013年3月）

吹き抜け
（2013年3月）

各線のラインカラーを壁面に配した連絡通路
（2008年11月）

東横線との直通運転開始前には、現4・5番間に仮設の連絡通路が設置されていた。
（2009年1月）

東横線との直通運転開始前の代官山方
（2009年1月）

のりば

番線路線行先備考
田園都市線・半蔵門線ホーム（地下3階）
1 田園都市線二子玉川・長津田・中央林間方面[39]一部の始発列車は、半蔵門線ホーム2番線から発車
2 半蔵門線押上〈スカイツリー前〉・久喜・南栗橋方面[40] 
東横線・副都心線ホーム（地下5階）
3・4 東横線横浜・元町・中華街・新横浜・二俣川方面[41]一部の始発列車は、副都心線ホーム5番線から発車
5・6 副都心線池袋・和光市・森林公園・飯能方面[42] 

同一事業者他路線の「渋谷駅」との関係

東京メトロの路線である半蔵門線・副都心線と銀座線の渋谷駅は、改札口が別であることなどから事実上別の駅として扱われている。このため、田園都市線と銀座線の乗り換えは、半蔵門線との対面乗り換えが可能な表参道駅を車内アナウンスは案内されるが、副都心線および田園都市線と銀座線の改札外乗り換えが可能であるため、副都心線が開業した当初より、駅の乗換案内に銀座線が表記されている。駅アナウンスは副都心線とまとめられ「地下鉄線」と案内される。

東横線・副都心線の相互乗り入れ開始までは、東急電鉄の路線である東横線と田園都市線の渋谷駅は駅舎・改札口が別であったことなどから、別の駅として扱われていた。このため、東横線の自動券売機で購入した乗車券では田園都市線のホーム、田園都市線の自動券売機で購入した乗車券では東横線のホームに入場できなかった（いずれの場合でも回数券は対応）。渋谷駅で東横線と田園都市線相互の乗り換えは改札外乗換となり、30分の時間制限が設けられていたほか、切符で乗り換える時は乗り継ぎ用自動改札機（オレンジ色）を通る必要があった（運賃が不足する場合は、乗り継ぎ用の自動精算機で運賃精算）。さらに、東急線各駅までの運賃も異なっていたが、現在は実乗車経路にかかわらず、乗降2駅間の最短経路で算出された運賃で乗車可能になっている。

銀座線・半蔵門線の渋谷 - 赤坂見附・永田町間は同一路線とみなされているため、運賃も同一である。