東横線の8000系を置き換えるため2004年4月より営業運転を開始しました。副都心線直通に備えて10両化に対応した設計となっています。鉄道用としては世界で初めてフルカラーLEDを採用した車両です。
2010年度製造分より副都心線対応機器を搭載しており、同時に従来車も東急車輛にて改造が開始され、2013年3月までに全編成の改造が終了しました。
2011年には10両編成の4000番台が登場しました。車内LCDが17型ワイドに変更されるなど一部仕様が変更されています。副都心線直通開始までは8両での暫定運用が行われていました。2015年6月には東武ATC使用区間拡大に伴い、一時的に非対応の5151F～5154FにサークルKマークが貼られました。
2014年2月15日に発生した元住吉追突事故により5155Fが2017年7月に全車搬出され解体となりました。また5156Fは追突相手であるY516Fの代替として横浜高速鉄道へ譲渡されました。2編成の代替として5177F・5178Fが製造されています。