大井町線は現東急の創業会社である目黒蒲田電鉄の分岐路線として1927年に大岡山から大井町の区間で開業。逆方向の二子玉川から自由が丘へ延伸してきた二子玉川線と合流し直通運転するようになり現代の大井町線となる。現代でこそ都心と郊外を直接結ぶ東急各線を横につなぐ立ち位置になっているものの、開業当初から住宅密集地の品川区、目黒区、世田谷区の住宅街から国鉄線に連絡し、都心方向（当時ビジネス街は圧倒的に都心側）を結ぶ目的を担っていた。1979年に田園都市線が二子玉川から渋谷まで直通するようになりメインルートを譲るまで、田園都市線のメイン路線として機能していた時代があった。

現在の大井町線は各駅停車と急行の2種別、基本的に二子玉川から溝の口は複々線の田園都市線区間に乗り入れる。朝ラッシュは1時間20本という驚異的本数、日中も1時間12本。急行は大井町線内は他の路線への乗換駅に停車し、日中は溝の口からは田園都市線に直通して中央林間まで田園都市線の急行となる。そのため日中は中央林間から見ると急行の半分が大井町行きで、渋谷から離れた方が本数が多くなる逆転現象が起きる。