千里丘陵に広がる千里ニュータウンの通勤・通学路線であり、千里ニュータウンと大阪キタ・ミナミの両方へ乗り換えなしで移動できることも大きな特徴である。特に後者は大阪市営地下鉄堺筋線と相互直通運転を行っており、乗り入れ先の終点・天下茶屋駅では南海電気鉄道との乗り換えができる。

淡路駅で、阪急京都本線と平面交差している。下り・上りともに淡路駅構内手前に複雑な分岐点があり、いずれの方向から進入する際も早朝や深夜を除きほとんどの列車が京都本線の列車を待つために淡路駅手前で信号待ち停車を余儀なくされる。2012年の全線開通を目指すJRおおさか東線とは、淡路駅が乗り換え駅となる。またそれにあわせて千里線と京都本線は立体交差になり、千里線は柴島・淡路・下新庄駅間が高架化される予定である。

天神橋筋六丁目駅から千里山までは、古くからの区間で急曲線も多く運行速度は遅い（例えば、豊津 - 関大前間の制限速度は35km/h）。特に豊津 - 千里山間は勾配も急である。

千里山駅から北千里駅までは1963年以降に開通した阪急の鉄道路線の中では最も新しい区間で直線的であり運行速度も速い（山田 - 北千里間は90km/h走行の時も）。また、完全に高架、堀割またはトンネルであるため踏切は一つもない。南千里 - 山田間にある千里トンネルは阪急唯一の山岳トンネルである。ただし、地下鉄と同様の開削工法で建設されたため、構造は地下鉄と変わらない。