三軒茶屋駅と下高井戸駅を結ぶ東京急行電鉄の軌道線である。
交差部の「若林踏切」のみで、全線が専用軌道である。
下高井戸駅への入口部分は急カーブのため、列車の通過後に水を捲く設備があった。
15日と16日に沿線の上町駅や世田谷駅付近で開催される「世田谷ボロ市」のイベント開催時は、通常よりも本数を増やして対応している。
運賃は全区間均一制で、2007年現在大人140円・子供70円。
鉄道各線とは運賃制度であり、東急の他の路線との運賃通算・乗継割引制度や、山下駅で接続する小田急線や下高井戸駅で接続する京王線との乗継割引はない。
一日乗車券を「世田谷線散策きっぷ」として発売している。
発売で、大人320円・子供160円。下高井戸駅・上町駅・三軒茶屋駅の駅窓口で発売されており、上記の駅以外から乗車する場合は乗車時に運転士・車掌に申し出て1乗車分の運賃を現金で支払い精算券を受け取り、上記の駅で残額を精算して購入することができる。世田谷線車内に運賃箱PASMO・Suicaで運賃を支払う場合は画像中の青い部分に、せたまるの場合はチェッカーにタッチする。
世田谷線車内に運賃箱PASMO・Suicaで運賃を支払う場合は画像中の青い部分に、せたまるの場合はチェッカーにタッチする。
使用できないが、2002年（平成14年）7月7日から世田谷線専用ICカード「せたまる
回数券と同様に、11枚つづりで利用時間の制限がない「普通回数券」・12枚つづりで平日10時 - 16時と土日祝日および12月30日 - 1月3日の終日利用できる「時差回数券」・14枚つづりで土日祝日および12月30日 - 1月3日の終日利用できる「土休日回数券」の3種類発売しており、発売額は1,400円。回数券のみ子供用もあり、700円で発売されている。
2007年（平成19年）3月18日よりICカード乗車券PASMOおよびSuicaに対応したが、車内でのチャージができないなどの制約がある。
区間は、1925年（大正14年）1月18日に三軒茶屋駅 - 世田谷駅間が支線として開業したのに始まる。
5月1日には世田谷駅 - 下高井戸駅間が開業した。
1938年（昭和13年）3月10日、玉川電気鉄道は東京横浜電鉄（現・東京急行電鉄）に合併され、玉川線となる。
1969年（昭和44年）5月11日に渋谷駅 - 二子玉川園駅間が廃止され、支線部分が世田谷線に改称された。
事が廃線を理由といわれる。車庫が利用できなくなったため、上町駅のそばに車庫を作った。駅名に「玉電」と冠がついていた各駅（若林・上町・山下・松原）が現在の「玉電」とつかない駅名になった。
1992年（平成4年）11月11日に再開発に伴って、駅から若干下高井戸寄りに移動している。
手前はスロープ
1999年（平成11年）7月11日より300系を導入し、低床車両を採用するとホームを嵩上げして乗降の際の段差を解消した。
嵩上げは、全車両が300系に統一される前夜の2001年（平成13年）2月10日の終列車後に全駅で一斉に行われた。
旧車両が宮の坂駅前に静態保存されている。
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