戦時中の1941年に日本陸軍航空隊向けの調布基地建設のため、多磨駅近くの府中市朝日町3丁目および調布市・三鷹市にまたがり東京調布飛行場が建設され、終戦後は進駐軍に接収され「関東村」となっていたが、地元3市の返還要求を受け、1974年12月10日に在日米軍から返還された[20]（詳細は「調布飛行場#歴史」参照）。関東村の広大な跡地は調布飛行場をはじめ、スタジアム（味の素スタジアム・アミノバイタルフィールド・都立武蔵野の森総合スポーツプラザ）、公園（調布基地跡地運動広場・都立武蔵野の森公園）などとして地元自治体によって活用され、2000年には東京外国語大学[21]が東京都北区西ケ原から移転[22]、翌2001年には警察大学校および警視庁警察学校が東京都中野区より移転。関東村跡地の再開発により、多摩川線の輸送需要は大きく増加した。
2003年より2009年にかけて、武蔵境駅の高架化工事を実施した（「武蔵境駅#高架化工事」参照）。高架化工事前、武蔵境駅がJRとの共同使用駅だった頃は、定期券発売窓口は白糸台駅にのみ設置されていた（西武鉄道では当時、定期券は定期券発売窓口と定期券専用発売機のみで購入可能であった）。武蔵境駅の駅舎改築に伴い、多摩川線の定期券発売窓口は武蔵境駅に移転したが、2017年の券売機更新により全駅の券売機で定期券購入が可能となった。また武蔵境駅では2008年9月7日よりJRへの連絡改札口が設置された。
2007年3月18日からは、ICカードPASMOが導入された。また同年12月には、多摩川線開業90周年事業として記念ヘッドマーク掲出や記念乗車券発売などの記念イベント「多摩川線90周年 Since1917」を開催した[23][24]。
2010年3月22日には、後述の四季をテーマとしたラッピングがされた新101系電車の出発式が武蔵境駅のホームで行われ、この様子は新聞記事などにも取り上げられた[25]。
西武鉄道を含む西武ホールディングス（西武HD）の筆頭株主となっていたアメリカ合衆国の投資ファンド会社サーベラス・キャピタル・マネジメントが、2012年10月12日に西武HDの経営合理化策として多摩川線を含む5路線の廃止などを求め[26]、西武HD側がこれを拒絶したことが報道された[26][27]。サーベラス側は廃止提案の存在を否定していたが[26]、多摩川線沿線の府中市・武蔵野市・小金井市は3市連名で路線存続の要望書を西武HDと西武鉄道宛てに提出した[28]。その後、2017年8月にサーベラスが西武HDの保有株式を全て売却したことが判明した[26][29][30]。
年表
1908年（明治41年）2月6日 - 鉄道布設仮免状下付（帝国鉄道境停車場-多摩村大字是政）[15]
1910年（明治43年）11月15日 - 軽便鉄道指定[31]。
1917年（大正6年）10月22日 - 多摩鉄道として、境駅 - 北多磨駅間開業。境駅（現：武蔵境駅）、新小金井駅、北多磨駅（現：白糸台駅）開業[32]。
1919年（大正8年）
6月1日 - 北多磨駅 - 常久駅間延伸開業（貨物運輸のみ）。常久駅（現：競艇場前駅）開業[33]。
7月1日 - 境駅を武蔵境駅に改称[34]。
1922年（大正11年）6月20日 - 常久駅 - 是政駅間延伸開業。是政駅開業[35]。
1927年（昭和2年）8月31日 - （旧）西武鉄道が多摩鉄道を合併、路線名を多摩線と改称[注釈 3]。『官報』での譲渡許可は同年8月3日[36]。
1929年（昭和4年）
1月1日 - ガソリン（瓦斯倫）動力併用実施[6]。
1月5日 - 新小金井駅 - 北多磨駅間に多磨墓地前駅（現：多磨駅）開業。
1950年（昭和25年）
7月11日 - 武蔵境駅 - 北多磨駅間の電化完成。
11月1日 - 北多磨駅 - 是政駅間の電化完成。
11月 - 常久駅が0.1km武蔵境駅寄りに移転。
1952年（昭和27年）3月25日 - 路線名を是政線から[要検証 – ノート]武蔵境線に変更[7]。
1954年（昭和29年）5月1日 - 常久駅を競艇場前駅に改称[注釈 4]。
1955年（昭和30年）5月9日 - 路線名を多摩川線に変更[8]。
1995年（平成7年）11月 - 試行的にワンマン運転を開始[38]。
1996年（平成8年）4月1日 - ワンマン運転に全面移行[38]。
2001年（平成13年）3月28日 - 多磨墓地前駅を多磨駅に、北多磨駅を白糸台駅に改称[39]。
2004年（平成16年）10月28日 - ダイヤ改正により運行間隔が早朝・深夜を除き12分間隔となる[40][41]。
2006年（平成18年）12月9日 - 武蔵境駅付近が高架化[4]。