唐木田から横浜線 ・相模線 方面への延伸が、2000年の運輸政策審議会答申第18号 （現・交通政策審議会）で今後整備を検討すべき路線として位置づけられている。2006年 8月 に神奈川県 相模原市 にある在日米軍 相模総合補給廠 の一部返還が決まったことにより、唐木田駅から町田市 小山田地区・相模原市中心部への延伸案が相模原市より提案された。ルートは、唐木田駅から東京都道158号小山乞田線 （尾根幹線道路）と交差し、町田市に入る。そして小山田・常盤地区を抜け、東京都道47号八王子町田線 （町田街道）と交差、相模総合補給廠を縦断し、相模原駅 で横浜線と交差、その先は相模原市の中心部を抜け、相模線上溝駅 へ向かう。そのうち、相模原駅と上溝駅に駅を増設、さらに町田市の小山田地区と町田街道との交差部付近に新駅を設置する案である。 ほかにも、上溝から先、水郷田名・半原・三ヶ木方面への延伸案や、淵野辺駅 を経由し上溝あるいは原当麻 へ向かうルートなども構想されている。この計画自体は前述の通り「相模原市独自の提案」であるため町田市の合意も必要であるうえ、大半が国有地であるため、市が開発するには払い下げても らう必要が生じる。市では費用を300億 - 400億円と試算しており、負担が重く計画通りに進むには課題が大きすぎる。小田急電鉄は、自らが整備費を負担しない「公設民営方式」を打ち出している。2006年11月より、相模原市、町田市、小田急電鉄とで多摩線延伸についての検討が始まったが、相模原、町田の両市で共同調査が行われた結果、 2011年6月に早期事業化に向けて、関係機関や地域での合意形成ができるよう、更なる検討の深度化に取り組んでいくことが両市で確認された。また、神奈川県鉄道輸送力増強促進会議では2007年度小田急電鉄向け要望書にて、横浜線相模原駅、相模線上溝駅方面への延伸の早期実現化を求めるとともに、相模原市から愛川町 を経由して厚木市 に至る路線の建設も要望している。