輸送力の増強を計る目的で関東大震災の復興計画に盛り込まれており、その一環として御茶ノ水駅 - 中野駅で複々線が建設され、1933年に完成した。また、一部時間帯に急行電車（現在の快速電車）を運行させた。また、この計画と同時に総武本線両国駅 - 御茶ノ水駅間についても高架鉄道として建設され、この結果、東京駅始発のものを一部の時間帯は急行電車として運転することとなり、各駅に停車する列車は一部の時間帯は総武本線に乗り入れることとなった。

第二次世界大戦後、俗に言う「通勤五方面作戦」で中野駅以西の輸送力の増強を計ることになり、1966年に中野駅 - 荻窪駅間の複々線化が完成し、中央緩行線電車と営団地下鉄東西線乗り入れの列車がこの区間に運行されている。1969年には複々線区間が三鷹駅まで延長された。

1999年3月より三鷹駅 - 立川駅間の連続立体交差化に着手している。これは、既存の複線の路線を主に高架にすることで道路との立体交差を実現し、踏切の解消を目的としているので、この工事が完成しても複々線とはならない。本来は高架敷地捻出の為に設置した仮線部分が複々線用地であったが、用地取得を行っている1980年代に国民の環境意識が大きく変化し、日照権や騒音問題に関する環境基準が著しく厳しくなった。このため、高架を建設する際には一定幅の緩衝帯を設置しなければならなくなり、中央線高架の完成後も、仮線跡は側道や緑地帯に転用される見通しである。

なお、完成は三鷹駅 - 国分寺駅間が2008年頃、国分寺駅 - 立川駅間が2010年頃を予定している。

これとは別に三鷹駅 - 立川駅の複々線化を計画中である。複々線は高規格な地下路線となる予定で、この複々線化が実現した場合は、中野駅 - 立川駅間を運行している快速電車の停車駅にも変更を迫られると見られる。2014年頃までの完成を計画していたが、これは高架工事を行う実情から見込みが立っていない。また、この複々線を利用する特急電車などの優等列車が、三鷹駅から大深度地下を利用した高速地下鉄道によって新宿駅を経由し、東京駅の京葉線ホームにいたるという大計画もある。