定期・臨時列車合わせて坂戸駅 - 越生駅間を運行する普通列車のみが運行される。おおむね平日の朝時間帯と土休日の朝時間帯は12分間隔、平日の午前中以降と土休日の午前中以降は15分間隔での運転である。また、21時以降はおおむね20分間隔での運転となる。上下列車の交換は主に一本松駅と武州長瀬駅で行われるが、ラッシュ時は川角駅と東毛呂駅でも行われる。坂戸駅で東上本線の列車と接続しており、日中は全列車が急行と接続しているが、そのほかの時間帯は急行以外の種別と接続する列車がある。

全線でワンマン運転を実施している。
東上本線直通

1970年代までは東上線観光急行列車「くろやま」「かまきた」が、また朝夕は川越市駅まで乗り入れていた普通列車があったが、2023年現在定期列車の直通はない。臨時列車では、1996年 - 2003年と2017年に観梅列車「越生観梅号」が池袋駅発で運行された実績がある。
越生観梅号

毎年2 - 3月の梅の季節に運転されていた臨時列車である。

1996年の運行当初は池袋駅 - 越生駅間無停車（坂戸運転停車）とし、池袋駅乗車時については越生梅林へのクーポンと無料の乗車整理券を要した。設定当初より下り越生行のみで、上りは運行されなかった。前面の表示は「臨時・越生」、側面は「臨時」で運行された。また、ヘッドマーク取り付け用のサボ受けが取り付けられた。2000年より朝霞台・川越の両駅に停車。ただし、両駅での乗車の際にも無料の乗車整理券を要した。2002年より乗車整理券が不要となった。

車両：10030系（1996年のみ方向幕の都合により8000系を使用）

停車駅：池袋駅・朝霞台駅・川越駅・越生駅

2003年を最後に臨時列車としては運転されなくなったが、代替として梅の季節に区間運転列車が「越生観梅」ヘッドマークを装着して運転していた。

2017年3月5日に8000系81107Fで14年ぶりに運転された[14][15]。

停車駅：池袋駅・坂戸駅 - （越生線内各駅） - 越生駅

使用車両
現在の車両

ワンマン運転専用の4両編成が使用される。運用は東上本線のワンマン運転区間（森林公園駅 - 寄居駅間）と共用。

8000系（森林公園検修区所属）


8000系（2019年6月 川角駅 - 西大家駅間）

過去の車両

越生鉄道キハ1形気動車 - 1950年（昭和25年）の電化まで使用された。

7300系 - 1985年（昭和60年）頃まで使用された。

7800系 - 1985年（昭和60年）まで使用された。越生線を最後にすべて運用を終了し、5000系へ更新された。

5000系 - 1990年（平成2年）まで使用された。

10030型 - 2008年（平成20年）6月14日のワンマン化に伴い撤退。


7800系（1977年 武州唐沢駅 - 越生駅間）

10030型（2000年 一本松駅）

駅一覧

全駅埼玉県内に所在。

線路： ◇・｜：単線区間（◇は列車交換可能）、∨：これより下は単線、∧：これより下は複線・終点（交換可能）

駅番号駅名駅間キロ累計キロ接続路線線路所在地
TJ-26坂戸駅-0.0東武鉄道： 東上本線∨坂戸市
TJ-41一本松駅2.82.8 ◇鶴ヶ島市
TJ-42西大家駅1.64.4 ｜坂戸市
TJ-43川角駅
（城西大学前）1.25.6 ◇入間郡毛呂山町
TJ-44武州長瀬駅2.07.6 ∧
TJ-45東毛呂駅1.08.6 ∨
TJ-46武州唐沢駅0.89.4 ｜越生町
TJ-47越生駅1.510.9東日本旅客鉄道：■八高線∧

留置線のある駅

坂戸駅

越生駅

廃駅・廃止信号所

大家駅（現・一本松 - 西大家間、1934年12月16日 - 1945年12月1日または同年12月10日）

西大家信号所（現・一本松 - 西大家間、1984年8月1日廃止）

森戸駅（現・西大家 - 川角間、1932年2月17日 - 1959年2月1日）

川角信号所（現・川角 - 武州長瀬間、1987年8月25日廃止）

参考文献

新井良輔「越生鉄道ものがたり」『鉄道ピクトリアル』第263号、電気車研究会、1972年、124-125頁。 

脚注^ a b 寺田裕一『データブック日本の私鉄』 - ネコ・パブリッシング
^ a b c d e 『地方鉄道及軌道一覧. 昭和18年4月1日現在』（国立国会図書館デジタルコレクション）