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特に、常磐緩行線とはほぼ一体化した運行形態になっていて、実質千代田線の延長のようになっている。そのため駅の列車案内では常磐緩行線の存在を強調して、綾瀬駅行きを「この電車は綾瀬止まりです」と案内したり、北千住駅で常磐線直通列車を「常磐線各駅停車」と案内したりすることもある（これは、北千住駅が常磐快速線との乗換駅になっていることにもよる）。トラブル時には小田急線との直通運転が中止されることは多々あるが、常磐緩行線との直通運転が中止になることは綾瀬駅が2面3線の構造で中線以外は両方向での折り返し運転に対応できないこともあり、ダイヤが大幅に乱れている場合でもほとんどない（綾瀬駅 - [[松戸駅]]間での輸送障害が発生した場合などは中止する場合もあるが最優先で復帰させる）。常磐緩行線発の上り電車のほとんどが千代田線へ直通する一方で、千代田線側からは常磐線へ直通運転をしない電車も朝ラッシュ終了近くから日中の時間帯を中心に多数設定されており、平日8 - 9時台は半数以上が綾瀬行きまたは北綾瀬行きで、日中は約半数が綾瀬駅または北綾瀬駅で折り返している。一方、ラッシュのピーク時間帯のほか、平日の夕夜間や土休日の朝夕は大半が常磐線直通となり、綾瀬駅・北綾瀬駅発着の線内列車は少ない。
常磐線方面は最遠で取手駅まで直通するが、取手駅発着の列車は平日の朝夕時間帯のみで、日中・夜間時間帯の運転はなく（土曜・休日の午後は14時台からあるが、2021（2021年3月13日改正までは土曜・休日の朝夕にも取手駅発着は消滅の電車が設定されていた<ref group="報道">{{Cite press release|url=https://www.jreast.co.jp/press/2020/20201218_ho01.pdf|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210131124747/https://www.jreast.co.jp/press/2020/20201218_ho01.pdf|format=PDF|language=日本語|title=2021年3月ダイヤ改正について|publisher=東日本旅客鉄道|page=6|date=2020-12-18|accessdate=2021-02-27|archivedate=2021-01-31}}</ref>）で、主に[[我孫子駅 (千葉県)|我孫子駅]]発着の運転となっている。また、常磐線との直通電車の初電は北千住駅発着で、いずれも4時台に運行されている（松戸発北千住行き・綾瀬発4時38分、北千住発我孫子行き・北千住発4時54分）。東京メトロでは各線の営業運転開始時刻を5時前後に揃えているが、この列車は例外となっている。[[北千住駅]]で、北千住行きの列車は常磐線快速の上野行き始発電車に、北千住発の列車は上野発の始発快速電車からそれぞれ接続する。なお、最終列車も北千住行き（A線0時30分着）・始発（B線10時0448分発松戸行）であり、<!--前者は常磐線快速の上野行き終電に接続し、-->後者はこの快速の松戸行きの終電から接続する。特に後者の北千住発松戸行きは、2021年3月13日のダイヤ改正までは東京メトロ線内では唯一1時台に運転する列車であるった。<!--ここから出典あり-->なお、2021年3月13日同改正までA線の北千住発松戸行き最終列車は北千住0時48分発から常磐快速線の上野行き最終電車に接続していたが、綾瀬0時51分着と乗り継げなるくなった。<!--ここから出典あり--><ref group="報道">{{Cite press release|url=https://www.tokyometro.jp/news/images_h/metroNews210126_1.pdf|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210213081058/https://www.tokyometro.jp/news/images_h/metroNews210126_1.pdf|format=PDF|language=日本語|title=2021年3月13日（土）東京メトロ全線でダイヤ改正 全線で終電時刻を繰上げます|publisher=東京地下鉄|date=2021-01-26|accessdate=2021-02-27|archivedate=2021-02-13}}</ref>。
小田急線との直通列車は早朝深夜を除きほぼ終日設定されており、各駅停車、準急、通勤準急（平日朝、小田急側からの乗り入れのみ）、急行が運転されている。直通運転の範囲は伊勢原駅・唐木田駅までであるが、唐木田行きは土休日朝の急行1本のみであり、実質的な直通先はほぼ小田原線のみである<ref>[https://www.odakyu.jp/rail/new/ 2020年3月14日（土）以降の路線図]</ref>。また、複々線・三線区間を越えて運転する列車は朝と夕夜間のみに限定されており、それ以外は[[成城学園前駅]]・[[向ヶ丘遊園駅]]発着が主体である。種別は時間帯ごとにある程度限定されているが、時間帯によっては各駅停車・準急・急行の3種別が運転される。
2020年3月14日のダイヤ改正現在、特急以外の千代田線直通列車として最長距離を運転する列車は取手駅発伊勢原駅行きの急行（平日夕方と土休日夕方に各1本。営業キロ100.2 km）である<ref group="注">一方、B線は休日の本厚木駅発取手我孫子駅行き（営業キロ9387.74 km）の急行が特急以外で最長距離の運転となる。</ref>。この取手駅 - 伊勢原駅間の急行は、東京メトロ直通列車全体で見ても特別料金不要列車としては、半蔵門線の[[中央林間駅]] - [[南栗橋駅]]間（営業キロ98.6 km）を上回り最長である。ダイヤ改正以前の最長距離運転列車は2016年3月26日ダイヤ改正から設定されていた取手駅 - 本厚木駅間の準急であった。尚、この準急は[[2000年]][[12月2日]]のダイヤ改正以前にも設定があり、当時は千代田線および常磐線に直通する種別は準急のみであった<!--<ref>http://www.geocities.co.jp/SilkRoadDesert/1562/trta06_20001201.html</ref>-->。その後、直通列車は唐木田駅発着の[[多摩急行]]が中心となり、2003年3月29日のダイヤ改正で常磐線内発着の準急が一旦中止となったことで、2016年3月26日までの間は唐木田駅 - 取手駅間（営業キロ80.2 km）の列車が特急以外の千代田線直通列車として最長距離を運転する列車となっていた。唐木田駅行きの列車は2018年3月17日以降もA線に取手駅始発の各駅停車が平日に1本のみ残っていたが、2019年3月16日のダイヤ改正で北綾瀬駅始発に変更、更に2020年3月14日のダイヤ改正で土休日の常磐緩行線始発に変更となった。
なお、有料特急を含めた千代田線直通の最長距離を運転する列車は北千住駅 - 箱根湯本駅間の特急「メトロはこね」（平日1往復、土休日3往復、営業キロ104.4 km）である。また、東京メトロ直通列車で最長距離を運転する列車は、2017年3月25日のダイヤ改正で運転が開始された副都心線を経由して元町・中華街駅 - 西武秩父駅間（営業キロ113.8 km）を走行する有料座席指定列車「[[S-TRAIN]]」（土休日のみ1往復）である。ただし、いずれの列車も東京メトロの車両では運転されない。
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