Il 6 marzo 1907 venne aperta la prima sezione della linea tranviaria Tamagawa (玉川線?, Tamagawa-sen) dalla ferrovia elettrica Tamagawa (玉川電気鉄道?, Tamagawa Denki Tetsudō, Tamaden) (da non confondere con l'odierna linea Tōkyū Tamagawa (東急多摩川線?, Tōkyū Tamagawa-sen)) fra Shibuya e l'attuale Futako-Tamagawa. Dalla linea Tamagawa nacquero in seguito due diramazioni: la linea Kinuta (砧線?, Kinuta-sen) (1º marzo 1924) da Futako-Tamagawa a Kinuta, e la linea Setagaya (18 gennaio 1925) da Sangenjaya.
La società Tamaden fu quindi acquisita dalla ferrovia elettrica Tokyo-Yokohama (東京横浜電気鉄道?, Tōkyō Yokohama Denki Tetsudō) (FETY) (l'attuale Tōkyū) il 1º aprile 1938. Oltre alla sua linea principale, la linea Tokyo-Yokohama, la FETY operava anche la linea Mizonokuchi (溝の口線?, Misonokuchi-sen) da Futako-Tamagawa (all'epoca denominata "Futako-Tamagawa-en") a Mizonokuchi dal 15 luglio 1927. La linea Tamagawa costituiva quindi un ulteriore collegamento da Futako-Tamagawa a Shibuya. Il 1º luglio 1943 questa sezione venne integrata con la linea Ōimachi, che univa la stazione di Ōimachi nell'area sud-ovest di Tokyo con Futako-Tamagawa-en.
Prima del 1945, le colline di Tama a sud-ovest di Mizonokuchi erano prevalentemente coperte da foreste, e occupate da piccoli villaggi lungo la strada Ōyama (l'attuale strada statale 246) e alcune basi dell'esercito imperiale giapponese. Dopo la Seconda Guerra Mondiale, molta gente emigrò in quest'area.
Nel 1953 vivevano circa 20.000 persone in questa area, e il presidente del gruppo Tōkyū, Keita Gotō progettò lo schema per una "new town" chiamato piano di sviluppo per l'area sud-ovest. Egli visionò una nuova ferrovia e una strada a percorrenza rapida (in seguito realizzata come autostrada Tōmei) con un'area residenziale costituita da abitazioni spaziose e vivibili per i pendolari che lavoravano a Tokyo. La società iniziò a realizzare la nuova area nella zona di Tama Den-En-Toshi ("città giardino") a partire dal 1959.
In accordo con questo progetto, la linea Ōimachi venne rinominata linea Den-en-toshi l'11 ottobre 1963, e finalmente estesa alla stazione di Nagatsuta il 1º aprile 1968.
Dagli anni '70 in poi, la popolazione dell'area crebbe stabilmente. Le città ebbero subito un grande successo e considerate un luogo sofisticato in cui vivere, e quindi richiamavano continuamente nuovi residenti. Mentre il progetto originario di Tōkyū era ormai completato, anche altre aziende iniziarono ad essere interessate ad investire nell'area, e oggi lungo la linea sono presenti circa 550.000 residenze (esclusa la sezione da Shibuya a Mizonokuchi, già edificata in precedenza). Questo rende l'area la più grande "new town" mai realizzata da un settore privato in Giappone.
L'11 maggio 1969 le linee Tamagawa e Kinuta vennero chiuse per permettere la costruzione della linea Shin-Tamagawa in sotterranea lungo il percorso 3 dell'autostrada Shuto. Tōkyū istituì un servizio sostitutivo su gomma durante i lavori, che si protrassero fino al 7 aprile 1977, fra Shibuya e Futako-Tamagawa. Il servizio diretto con la linea Den-en-toshi iniziò il 16 novembre 1977.
Il 12 agosto 1979 la sezione fra Ōimachi e Futako-Tamagawa venne separata, e chiamata linea Ōimachi, ricreando dopo anni la linea originaria. Questo coincise con l'inaugurazione dei servizi diretti sulla linea Hanzōmon della metropolitana di Tokyo, allora gestita dalla autorità di trasporto rapido Teito (帝都高速度交通営団?, Teito Kōsokudo Kōtsū Eidan, Eidan o TRTA) e la linea Shin-Tamagawa. Di fatto la linea Den-en-toshi era diventata un'estensione della metropolitana di Tokyo.
La linea venne completata nella sua forma attuale il 9 aprile 1984, quando venne aperta la sezione fra le stazioni di Tsukimino e Chūō-Rinkan. La linea Shin-Tamagawa venne annessa ufficialmente alla Den-en-toshi il 6 agosto 2000.
Dal 19 marzo 2003 il servizio diretto sulla metropolitana venne esteso dalla Suitengūmae fino a Oshiage, permettendo la prosecuzione dei treni sulle linee Isesaki e Nikkō delle Ferrovie Tōbu, mentre l'11 luglio 2009 è stato completato il quadruplicamento dei binari fra Futako-Tamagawa e Mizonokuchi permettendo di instradare i treni della linea Ōimachi fino a Mizonokuchi.[1].
Sono in corso attualmente progetti per proseguire con il raddoppio dei binari fino alla stazione di Saginuma, e i primi studi per realizzare un raddoppio della sezione sotterranea fra Shibuya e Futako-Tamagawa.
Solo in direzione Tokyo le mattine dei giorni feriali al fine di ridurre la congestione dei passeggeri attorno a Shibuya e ridurre i ritardi grazie all'equalizzazione della velocità dei treni.
Alcuni treni sono diretti/provengono alla/dalla linea Tōkyū Ōimachi utilizzando il tronchino per il deposito di Saginuma. Questi treni si dirigono fino alla stazione di Ōimachi la mattina, e fino a Saginuma la sera. I treni sono a 5 casse, anziché a 10 come normalmente visibile sulla linea. Alcuni treni espressi nel weekend partono anche da Chūō-Rinkan le mattine, e l'inverso la sera.
Linea blu (Yokohama)
Serie 8500
Serie 8590
Serie 2000
Serie 5000 (seconda generazione)
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