目蒲線の目黒側が目黒線として2000年9月26日より営団（当時）南北線・都営三田線と相互直通運転を行うため、成立した。
「東急多摩川線」が届出上の正式な路線名称であり、車内の自動放送やこのように呼ばれている。
新玉川線は2000年8月6日に東急多摩川線の成立と同時に田園都市線に編入されたが、これは運行形態と路線名を統一するという目的のほかに、当路線との混同を防ぐためでもある。
* 1923年（大正12年）3月11日 - 目黒線目黒 - 丸子（現在の沼部）間開業。
* 1923年（大正12年）11月1日 - 丸子 - 蒲田間開業（全通）。
* 1924年（大正13年）2月29日 - 鵜ノ木駅（現在の鵜の木駅）開業。
* 1924年（大正13年）5月2日 - 下丸子駅開業。
* 1924年（大正13年）6月1日 - 丸子駅を武蔵丸子駅に改称。
* 1925年（大正14年）10月12日 - 矢口（現在の矢口渡） - 蒲田間に本門寺道駅開業。
* 1926年（大正15年）1月1日 - 多摩川駅を丸子多摩川駅に、武蔵丸子駅を沼部駅に改称。
* 1930年（昭和5年）5月21日 - 矢口駅を矢口渡駅に改称。
* 1931年（昭和6年）1月1日 - 丸子多摩川駅を多摩川園前駅に改称。
* 1936年（昭和11年）1月1日 - 本門寺道駅を道塚駅に改称。
* 1945年（昭和20年）6月1日 - 矢口渡 - 道塚 - 蒲田間休止（1946年廃止）。
* 1945年（昭和20年）8月14日 - 矢口渡 - 蒲田間の新線開業。
* 1955年（昭和30年）11月5日 - 架線電圧を600Vから1500Vに昇圧。
* 1966年（昭和41年）1月20日 - 鵜ノ木駅を鵜の木駅に改称。
* 1989年（平成元年）3月18日 - 3両編成を4両編成化。
* 2000年（平成12年）8月6日 - 多摩川 - 蒲田間を分離し、東急多摩川線に改称。
* 2005年（平成17年）6月10日 - 日中の平均運転間隔を7分30秒から6分に短縮し増発を行う。
* 2007年（平成19年）11月3日 - 「古代から未来へ」をテーマに多摩川アートラインプロジェクト アートウィーク2007を開催（11日まで）。
* 2007年（平成19年）12月25日 - 新型車両7000系（2代）営業運転開始。
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