通称、玉電(玉川線)は多摩川の砂利を東京都心に輸送することを主目的として、1907年に玉川電気鉄道により渋谷-玉川間で開業した。さらに、192年に渋谷-渋谷橋間の天現寺線が、1924年に多摩川-砧間に砧線と渋谷橋-天現寺橋間が、1925年に三軒茶屋-下高井戸間に玉川線支線が、1927年に渋谷橋-中目黒間に中目黒線と玉川-溝ノ口に溝ノ口線が開業した。駅数は玉川線18駅、砧線5駅、溝ノ口線4駅、玉川支線12駅、天現寺線11駅、中目黒線5駅だった。
 1938年に玉川電気鉄道が現在の東京急行電鉄の前身の東京横浜電鉄に合併し、1945年に砧線と溝ノ口線は運行形態が路面電車である軌道から地方鉄道に変更された。さらに、1948年に天現寺線と中目黒線が東京都交通局に譲渡された。その後の高度経済成長期に急速に車が増え、1960年代になると玉電の多くの区間が国道246号線と併用していたことから、国道246号線の渋滞が慢性化して社会問題となった。その結果、1969年に玉川支線を残して玉川線の本線区間が廃止された。現在、玉川支線は全線が専用軌道だったことから廃止を逃れ、東急世田谷線として三軒茶屋-下高井戸間で現在も運行されている。
 玉川線の廃止後は代行バスが運行された。1977年には旧玉川線が地下鉄の新玉川線として生まれ変わり、現在は溝ノ口線とわせて田園都市線に改称されて今日に至っている。
 玉電当時の車両はデハ204が電車とバスの博物館に、デハ80形の元87号が江ノ電601号として世田谷区宮坂区民センターに保存されている。