西武拜岛线整条线路在1968年11月2日开业,但是是由多条线路演变而来的。小平站~萩山站是多摩湖铁路为了连接旧西武铁路线,于1928年作为支线开通的。之后,多摩湖铁路成为武藏野铁路与旧西武铁道合并,为了向村山蓄水池输送游客,萩山站在1958年开业,小平站~萩山站~多摩湖站之间的开始直通运行。
小川站~玉川上水站作为通往
北多摩郡大和村(今:
东大和市)的日立飞机立川工厂专用线而建设。
第二次世界大战日本投降后被西武铁道继承,1949年作为上水线开业,随后电气化,但是仍然作为支线运行。
1962年小川站~萩山站之间开通,同时小平站~萩山站也编入了上水线,小平站~萩山站~玉川上水站开始直通运行。本区间原本作为原日本陆军设施引线而在1944年开通,随后工厂成为
普利司通东京工厂,因此小川站~萩山站之间仍在工厂内通行,工厂内的联络桥跨越了铁路。
西武拜岛线列车全天运行有直通
西武新宿线田无站和
西武新宿站的班次,白天除了直达列车之外,因为
玉川上水站有车库,还开设有玉川上水站~小平站和玉川上水站~拜岛站的区间班次。
列车主要是10节编成和8节编成,2007年3月6日西武新宿站与小平站折返的列车开始统一,2012年6月30日在小平站折返的普通列车复活,基本上在小平站考虑与西武新宿线的列车的相互连接。
白天西武新宿站~
拜岛站的急行1小时3班,线内折返的各停班次1小时3班,其中2班在玉川上水站~小平站,1班在小平站~拜岛站。
2018年3月10日开始在傍晚和夜间运行的对号入座车“拜岛Liner”开始运行,只运行从西武新宿站开往拜岛站的下行列车,平时和周六休息日的运行数量都是6班。西武拜岛线内各站停车,只在西武拜岛线内乘坐的话可以不购买座椅特别券。