田園都市線用として、2017（平成29）年12月から2022（令和4）年6月にかけて総合車両製作所横浜事業所および新津事業所で製造された。2020（令和2）年の東京オリンピック（当初開催予定年）、さらに2022（令和4）年に創業100周年に向けて、「田園都市線により親しみを持っていただく」、「沿線の街や駅と調和する車両にする」ことを目的に掲げて「2020系」と命名された。

渋谷方1号車からクハ2120形（Tc2）-デハ2220形（M2B）-デハ2320形（M1B）-サハ2420形（T3）-サハ2520形（T2）-デハ2620形（M3）-サハ2720形（T1）-デハ2820形（M2A）-デハ2920形（M1A）-クハ2020形（Tc1）の5M5T10両編成で、これは今後の他線区での導入を見越して10・8・7・6・5両編成でも適正なMT比としたもので、同時期に大井町線に導入する6020系は7両編成での運転を想定した。よって、M車は2両1ユニットではなく、独立M車方式としており、4～6号車を抜けば7両編成が組めるようにしている。

車体は軽量ステンレス構体とし、㈱総合車両製作所のステンレス車両のブランドである「sustina S24シリーズ」を採用、JR東日本E235系と基本設計や主要機器を共通化して量産コストの低減を図っている。デザインは㈱丹青社が監修し、沿線の駅や街との親和性を高め、沿線の乗客に親しみとこれまでにない新しさを感じてもらうことを目指し、エクステリアはコンセプトカラー「INCUBATION WHITE」（美しい時代へ孵化していく色）を採用し、車体先頭は丸みを帯びたやわからみのある顔をイメージしていた形状で、オフセット衝突対策を施している。車体の飾り帯は線区に合わせた路線カラーのフィルムで田園都市線は緑色とし、ホームドア越しでも視認可能なように側引戸の上部に配している。

インテリアは、沿線の風景をイメージした座席や照明も含めた室内全体のカラーコーディネートにこだわり、親しみやすさと心地良さを感じてもらえるようなデザインとされた。

客室内は東急初の空気清浄機を設置、座席はハイバック仕様として快適性向上を図っている。また、デジタルサイネージをドア上と連結部、さらに座席上には３連で配置し、多言語案内の充実化を図るとともに、ニュースや天気予報などの情報サービスを提供する。また、バリアフリー対策として車椅子、ベビーカー利用者のためのフリースペースを各車1ヵ所ずつ配置している。

乗務員取扱機器については、相互直通運転による乗務員の機器取扱の負担軽減を図るため、東京地下鉄13000系や東武70000系、西武40000系に可能な限り機器配置を合わせている。

主電動機は東芝製TKM-18（東芝形式SEA-446）である。主制御装置は次世代半導体素子であるSiC素子を使用した三菱製（MAP-144-15V317）で、全閉式三相誘導電動機（140kW）を2レベル式VVVFインバータで制御し、主回路制御装置は1台のインバータ装置で主電動機4台を制御する1C4M方式である。ブレーキ方式は回生ブレーキ併用電気指令式空気ブレーキである。補助電源装置はIGBT素子を使用した富士電機製の440V260kVAの静止形インバータ（SIV）CDA175である。 台車はボルスタレス式空気ばね台車で、電動台車がTS-1041、付随台車がTS-1042（先頭台車）、TS-1042Aである。

パンタグラフはシングルアーム式のPT7108-Eで、M1車に2基、M3車に1基搭載する。冷房装置は50000kcal/h　空気清浄装置としてナノイーを設置している。 保安装置はATC-P形で、相互直通運転をする東武鉄道の東武ATS装置を内蔵する。

また、車両情報制御システムとして、データ通信速度の向上とWiMAXによる地上システムへのリアルタイム送信に対応した列車情報管理制御装置（INTEROS）を採用している。 2018（平成30）年3月28日から営業運転を開始、東武鉄道への乗入れは同年10月からとなった。なお、その後2019（令和元）年9月2日に東京急行電鉄は東急電鉄へ商号変更している。、

2022（令和4）年までに30編成が導入されたが、このうち2126F・2127Fの3号車は6020系のQシート車組込みに伴って大井町線のデハ6321・デハ6322を転用して2018（平成30）年11・12月にデハ2326・デハ2327としたものである。