大きく3つの運行パターンを想定
協議会は混雑率などを定量的に計測するために、複数の運行パターンを想定した。大まかに3つ、細分して計6つのケースで運行パターンを挙げている。あくまで予想のためのパターンではあるものの、現実味のある想定にしたという。
ケース1-Aは、快速電車が三鷹以西で地下の新・快速線を経由し、立川以西は現状通り主に八王子方面に向かう。各駅停車は三鷹以西で現行線を経由して立川まで走行する。
ケース2-Aは、快速電車が現行線を経由し、立川以西は八王子方面に向かう。各駅停車が三鷹以西で地下の新・快速線を経由し、立川以西で青梅方面に向かう。三鷹を境に、快速は各停に、各停は快速に変わる運行形態だ。
ケース3-Aは、快速電車が地下の新・快速線を経由し、立川以西は八王子方面に向かう。各駅停車は三鷹以西で現行線を経由し、立川以西で青梅方面に向かう。一部は武蔵小金井で折り返す。ケース1に近い。
三鷹以東は現在、各駅の2つのホームを快速電車と各駅停車で分ける「路線別複々線」になっている。これを上り線と下り線に分けた「方向別複々線」に造り変えることも、3つのケースそれぞれで想定している（ケース1-B、2-B、3-B）。
需要を予測するために想定した複々線完成後の運行パターン。大きくこの3つに分けられる。さらに、3ケースそれぞれ中野－三鷹間を方向別複々線に造り変えた場合も検討し、計6ケースを設定した。予測のための想定ではあるものの、現実味のある案にしたという （資料：三鷹・立川間立体化複々線促進協議会）
