1963年京王电铁获得了铁路延伸许可。原计划在京王多摩中央站跨过多摩川后再桥本站与JR东日本横滨线立体交叉，最终到达津久井湖南侧的相模中野站。随后“多摩町大规模居民区开发计划”公布，也对多摩新市镇第一批开发计划的永山居民区 · 诹访居民区进行了采访，随后各家公司跟随京王电铁的步伐也开始申请同一地区的线路许可，小田急电铁申请了多摩线的建设许可，西武铁道申请了延长多摩川线的计划。1965年为了应对东京地区居民区不足的问题，决定修建多摩新市镇，收购土地建设城市和与土地所有者交换土地的土地整理计划均在推进，由于决定修建城市，所以京王集团的住宅地开发计划被迫中止，随后京王集团将视线放在了推进高尾线建设和目白山住宅区的开发上。

京王电铁和小田急电铁在本区间都申请了线路，但是二者在京王读卖乐园站附近的规划出现问题。京王方面向北移出现土地使用问题，小田急方面向南移需要躲避三泽川，就需要开挖更多的隧道。二者互不相让，运输省只好给二者没有问题的区间颁发许可，京王电铁获得了京王多摩川站~京王稻田堤站的许可，小田急电铁获得了喜多见站~稻城本町站的许可。随后小田急电铁新建新百合丘站，小田急电铁希望将多摩线更改为在新百合丘站分歧并废止之前得到的建设许可，与京王电铁的争端结束。小田急电铁得到了新的建设许可，京王电铁也取得了纠纷区间的建设许可。由于多摩川线的延长会给JR东日本中央线带来更多的负担，所以西武铁道没有得到建设许可。

随后多摩新市镇的建设具体化，多摩新市镇也与京王电铁和小田急电铁进行协商，希望一方途径谷户部，另一方途径南多摩尾根干线道路，但是两家公司均计划通过谷户部且都不让步，多摩新市镇出于减轻土地整理负担的思路下想让两家公司的铁路线用三轨的方式在同一区间内运行，但是小田急电铁拒绝了此方案，最终决定了京王电铁和小田急电铁并排通过多摩新市镇。并且当时京王电铁还在与JR东日本中央线快速进行竞速，提出了新宿站~河口湖的“超特急”计划，且双线并列修建的计划确保了相模原线在新市镇内也能拥有高规格线路，最小曲率半径为1000m，且相模原线理论运行速度可以达到160km/h，小田急电铁也确保了最小曲率半径800m的高规格线路。会议还讨论了费用问题，三者没有达成共识。

在费用没有达成一致的情况下，1968年京王电铁开始线路延伸，1971年京王多摩川站~京王读卖乐园站开业，线路更名为“相模原线”。线路修到多摩新市镇后京王电铁发现需要将新宿站~调布站复复线化才能缓解班次紧张问题，但是由于相模原线预算已经达到410亿日元，复复线化还需要投入上百亿日元，所以相模原线工程暂时停止。而多摩新市镇内除了开发者之外的不动产业务均受限制，无法通过出售住宅来支持铁路建设，小田急电铁也中止了铁路修建。京王电铁向东京都政府提议：

东京都政府表示“没有向民营企业私营铁路无偿提供用地的想法”。最终以日本铁道建设公团建设私铁线，私铁集团25年内还清本利的建设计划得到落实，京王和小田急的两条线路以P线（铁建公团）的方式再次开工。1974年6月小田急多摩线抵达永山站，10月京王相模原线抵达京王多摩中心站，1975年小田急多摩线抵达小田急多摩中心站。

多摩新市镇西部延伸

20世纪80年代多摩新市镇西部也进行了开发，1980年多摩新市镇居民6万人，1987年达到10万人。多摩新市镇西部开发持续进行，1983年八王子市南大泽居民区开始入住，在铁路开通前当地居民主要通过公交出行。

由于线路延伸的京王多摩中心站~京王堀之内站间需要经过高尔夫球场，但是二者在此出现问题。京王电铁提出5亿日元的赔偿金被拒绝后将赔偿金提高到10.88亿日元，并提议在地下修建500m长的隧道，在13 · 14号厅间露出地面。高尔夫球场则认为修建期间球场客流减少，需要再提高赔偿金，13 · 14号厅间露出地面高尔夫球场就需要铺设新的草坪和土堆。因为问题迟迟得不到解决，京王电铁和日本铁道建设公团决定强行建设，随后京王电铁缩短了隧道出口长度，更改了线形，高尔夫球场以10.88亿日元的赔偿金同意建设，“多摩新市镇第一隧道”在1986年10月1日开工，1987年完工。

最大问题已经解决，京王电铁决定在1987年3月直接建到桥本站，但是桥本站用地取得又出现问题。桥本站末端和入口处的土地所有者拒绝出售土地。而由于解决多摩新市镇西部交通成为重中之重，所以1988年5月21日京王多摩中心站~南大泽站先行开业。

桥本站开业

桥本站周边的土地通过《土地征收法》得到强行征收，1990年3月30日南大泽站~桥本站开业，相模原线全通。相模原线自1968年开工，耗时22年终于完工。

由于征地困难和费用问题，1988年3月京王电铁将桥本站~相模中野站间的修建许可退还。

年表

1916年6月1日，调布站~京王多摩川站开业。

1971年4月1日，京王多摩川站~京王读卖乐园站开业。

1974年10月18日，京王读卖乐园站~京王多摩中心站开业。

1988年5月21日，京王多摩中心站~南大泽站暂时开业。

1990年3月30日，南大泽站~桥本站开业。

2010年3月16日，导入ATC。

2017年2月28日，若叶台站~多摩境站间的所有隧道开通手机信号。

标记 ●：停车

标记 ◇：活动时部分列车临时停靠

标记｜：通过

5000系（二代）

9000系

8000系

7000系

10-300型

新宿站~桥本站间的对号入座列车，2018年2月22日时刻表修改后只有下行班次，2019年2月22日时刻表修改后上下行均有。京王Liner会停靠京王永山站、京王多摩中心站和南大泽站，京王永山站以西的相模原线区间停车站与特急 · 准特急 · 急行一致，其余区间全部通过。

车辆为京王二代5000系。

桥本站发新宿站行的班次早5时~8时有5班，周六7时1班。新宿站发桥本站行的班次在16时40分、17时40分、18时20分和23时20分出发，周六休息日在16时20分和23时出发。

乘坐需要购买410日元的座位券，如果在京王永山站以东的区间乘坐下行列车可以不用购买。

2013年2月22日复活的运行于新宿站~桥本站的列车种类。该特急为二代目，一代目特急在2001年废止，神奈川县铁道运输力增强促进会议希望京王电铁恢复特急，最后在2013年恢复。

特急车辆由京王电铁担任，工作日早晨以新宿站~桥本站为主，也有京王多摩中心站出发的班次。休息日各有一班新宿站发和桥本站发的列车。2020年10月30日工作日新宿站出发的特急被削减成2班，1班到桥本站，1班到京王多摩中心站。没有傍晚的班次。

2015年9月25日新设，与特急相比追加了笹冢站和千岁鸟山站，基本为新宿站~桥本站，部分班次只到京王多摩中心站。

在早晚运行，有都营新宿线~桥本站和新宿站~桥本站两个区间，也有都营新宿线~京王多摩中心站和新宿站~京王多摩中心站的班次。2015年9月25日后白天的急行被准特急代替。周六傍晚1班上行列车为桥本站~本八幡站，是仅有的贯通运行相模原线、京王线、京王新线和都营新宿线的班次。

由于急行班次在都营新宿线内为各停，所以在京王电铁区间内表示为“急行 新线新宿”，都营新宿线区间内表示为“各停 桥本”。

2013年2月22日时刻表修改后，通勤快速更名为区间急行，有都营新宿线直通班次和新宿站始发班次。

都营新宿线内直通班次全天20分钟间隔，新宿站始发的班次只在工作日早晚的下行和周六休息日的早晚运行。

也有新宿站出发京王多摩中心站行、桥本站 · 若叶台站始发樱上水站行的班次。

京王电铁车辆为10节编成，都营车辆为8节编成。

2018年后直通班次在独营新宿站内各站停车，京王电铁区间内表示为“区急（快速）| 本八幡”，都营新宿线内表示为“各停 | 本八幡”。

在相模原线还是支线的时候就在运行。

2015年9月25日时刻表修改，开行都营新宿线~桥本站的快速，周六还有新宿站~桥本站的快速，也有都营新宿线~若叶台站 · 京王多摩中心站、桥本站发杜鹃丘站行的快速亦有运行。

2018年2月22日时刻表修改，部分准特急和急行在京王多摩中心站后各停。2019年2月22日时刻表修改，部分特急在京王多摩中心站后各停。