東急目黒線の真価は、単一路線にとどまらない広大な直通運転ネットワークにあります。現在、路線図を理解する上で外せないのが、南北に延びる複数路線とのダイレクトな連動です。
まず北端の目黒駅側では、白金高輪駅までの2.3kmを東京メトロ南北線と共用しながら、以下の2大ルートへと分かれます。
- 東京メトロ南北線直通：溜池山王・四ツ谷・飯田橋を経由し、赤羽岩淵から埼玉高速鉄道埼玉スタジアム線（浦和美園方面）へ乗り入れ
- 都営三田線直通運行：日比谷・大手町・神保町・巣鴨を経由し、西高島平方面へ乗り入れ
一方、南端の日吉駅側では、2023年春に開業した相鉄・東急直通線（新横浜線）の定着により、相鉄東急直通線路線図の中核として機能しています。日吉駅から新横浜駅を経由し、相鉄本線の海老名方面や相鉄いずみ野線の湘南台方面へと直通する長距離列車が終日設定されています。
これにより、新幹線停車駅である新横浜駅から、都心のビジネス街（大手町・日比谷）や官庁街（溜池山王・永田町）までが乗り換えなしの1本で結ばれました。ただし、すべての列車が新横浜・相鉄方面へ行くわけではなく、「日吉止まり」の列車も多数存在するため、ホームの発車案内標に表示される直通先アイコンと行先表示の確認が不可欠です。
