6500形は、1993年登場の6300形以来となる新型車両。同線への新車投入としては約22年ぶり、新形式車両としては約29年ぶりの導入となります。
車両の外観は、「移動を担う都市の一部としての存在感を表現した、スマートで無駄のない機能美」を目指したもの。先頭部も含めてシンプルな箱型とし、行先表示器や前照灯なども、視覚的なノイズとなる要素を極力抑えたといいます。6300形にあった赤帯は採用されていませんが、こちらもシンプルさを追求した結果だといいます。
2018年にデビューした浅草線用の5500形では、歌舞伎などもイメージしたという、スピード感を表現した車両でした。一方、今回の6500形では、方向性が若干異なるように感じられます。
この点について都の担当者は、浅草線では浅草寺や東銀座（歌舞伎座）、泉岳寺などの「和」の要素を、三田線では大手町や日比谷といった都心部のオフィス街を、それぞれイメージしてデザインしたと説明。それぞれの路線をイメージしたという点に変化はないとしています。また、交通局内のプロジェクトチームによってデザイン検討が進められた点も、5500形と6500形は共通となっています。
また、新宿線の10-300形がJR東日本のE233系地下鉄直通対応車に類似したデザインとなっていたように、6500形もE235系を思わせる部分がいくつか見られます。都の担当者は、「デザインの基としたというわけではないが、チームで参考にした部分はあるかもしれない」と語っていました。
車体はアルミ合金製。都営地下鉄では12-000形、5300形、12-600形に次ぐもので、三田線では初の導入となります。
行先・種別表示器はフルカラーLEDを採用。前面は日本語→英語の交互表示、側面は日本語→英語→日本語（次駅案内つき）→英語（次駅案内つき）の交互表示となっていました。なお、表示はシャッタースピード1/500秒まで切らずに撮影可能です。
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