現在の東西線の元となったのは、1917年に内務省の「東京市内外交通調査委員会」における答申で示された「池袋～飯田橋～洲崎（現在の東陽町駅付近）」の建設計画でした。その後「東京鉄道」という鉄道会社や東京市に対して本区間の路線敷設の免許が交付されるものの、建設されることなく戦後を迎えます。

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戦後間もない1946年、戦災復興院が復興計画の一つとして5つの地下鉄路線を計画。このうち中野～高田馬場～水道橋～大手町～東陽町を結ぶ路線を5号線としました。1957年の交通政策審議会では経由地を水道橋から飯田橋に変更、1962年には計画されていた区間に加え、東陽町から船橋方面に至る路線という計画に改められました。同年には最初の開業区間である高田馬場～九段下間が着工、2年後の東京五輪が開催された1964年に開通します。この年に東陽町～西船橋間は浦安と行徳を経由し西船橋で総武線と接続する計画となり、混雑が激しくなっていった中央線や総武線のバイパス路線として位置づけられるようになります。それを示すかのように、1966年には中野まで開業、少し遅れて中央線の荻窪まで直通運転を開始します。なお、この時九段下～竹橋間も同時に開業し、半年後には大手町まで開業しています。

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1967年には東陽町まで開業、翌1968年には西船橋から東武野田線方面に延伸する計画となりました。そして1969年には東陽町～西船橋間が開通、現在の東西線が出来上がりました。この時東陽町～西船橋間をノンストップで走る快速電車の運転が開始されました。当時東西線地上区間は農漁村地帯であり、人口が少ない地域で各駅の利用者が少ないと見込まれたため、都心方面との時間短縮と適正な輸送需給バランスを図るため地下鉄では初の快速電車が走ることになりました。また南砂町以東が高架線で建設されたのも、建物が少なく土地の買収が容易であったことや建設費を大幅に圧縮できたからです。このうち浦安～下妙典信号場（現妙典駅）間は直線区間となっており、これを生かして千代田線6000系試作車のテスト走行に使用されたことがあります。西船橋まで開通し少し遅れて、中央・総武線の乗り入れ区間が三鷹（中央線）、津田沼（総武線）まで拡大されます。現在総武線津田沼駅までの乗り入れは平日の朝夕に限られていますが、当時は土曜日の朝夕にも設定がありました。

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​1972年には西船橋から東武野田線方面に延伸する計画を勝田台を終点とする計画に改められました。この区間は「営団勝田台線」として営団地下鉄が建設する予定でしたが、営団地下鉄が採算性などの面から建設に難色を示したこと、並行する京成電鉄の経営悪化に対する配慮などから建設が凍結されました。しかし当該区間は第三セクター方式で建設されることになり、1996年に東葉高速線として開業しています。

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東西線の開通により、特に地上区間沿線では急速に宅地化が進み沿線人口が急増し慢性的な混雑に悩まされるようになりました。そこで1991年にはドア幅を500mm拡大したワイドドア車両を導入しましたが、ドアの開閉に時間がかかりかえって遅延に拍車がかかるとして1993年に製造された車両以降は通常のドア幅に戻されました。しかし東葉高速線との直通運転開始、さらに東葉高速線沿線の発展によりより一層混雑が激しくなり、2010年には再びワイドドアを備えた15000系が導入されています。これ以外にも朝ラッシュ時におけるB線の優等列車を通勤快速に統一、時差通勤促進キャンペーンの通年実施、南砂町駅や木場駅などでの改良工事など、様々な施策で東西線の混雑緩和を目指しています。​​