Первым руководителем метрополитена 30 октября 1934 года стал Адольф Петриковский. При нем было открыто движение на первой, Кировско-Фрунзенской (ныне Сокольнической) линии от станции «Сокольники» до «Парка культуры». Снят с должности 23 сентября 1937 года, расстрелян за контрреволюционную деятельность.
С 23 сентября 1937 года по 28 января 1938 года метрополитен возглавлял Владимир Днепровский. При нем были введены новые правила координации работ депо, создана служба подвижного состава метрополитена.
Следующим руководителем 29 января 1938 года стал Иван Новиков, занимавший свой пост по 19 января 1950 года. За 12 лет были продлены Арбатско-Покровская и Горьковская (Замоскворецкая) линии, введен в эксплуатацию первый участок Кольцевой линии от «Курской» до «Парка культуры».
С января 1950 года по октябрь 1959 года метрополитеном руководил Александр Ежов. При нем в числе прочего в 1954 году замкнута Кольцевая линия.
В ноябре 1959 года руководителем стал Александр Новохацкий, занимавший пост до 16 марта 1973 года. При нем в 1962 году вступила в строй Калужская линия от «Октябрьской» до «Новых Черемушек», в 1972 году — Краснопресненская линия от «Баррикадной» до «Октябрьского поля». Также были открыты новые станции на всех линиях.
С 16 марта 1973 года по 30 октября 1979 года метрополитеном руководил Евгений Легостаев. В период его руководства произошла первая авария: 15 апреля 1979 года на перегоне между «Автозаводской» и «Коломенской» несколько вагонов сорвало с тележек. Жертв удалось избежать.
В декабре 1979 года метрополитен возглавил Юрий Сенюшкин. Он занимал свой пост до 12 сентября 1986 года, период его правления ознаменовался аварией на станции «Авиамоторная», когда из-за поломки эскалатора 8 человек погибли, еще 30 получили ранения.
С 12 сентября 1986 года по 21 июля 1995 года московской подземкой руководил Евгений Дубченко. При нем в марте 1994 года на Серпуховско-Тимирязевской линии в течение 12 часов произошли три столкновения поездов, пострадали 23 человека. В апреле того же года господину Дубченко был объявлен выговор за «снижение качества обслуживания пассажиров».
В декабре 1995 года метрополитен возглавил Дмитрий Гаев, первый заместитель ушедшего в отставку Евгения Дубченко. Господин Гаев занимал эту должность более 15 лет — до 7 февраля 2011 года. В декабре 2010 года Генпрокуратура РФ потребовала его отставки в связи с нарушениями, связанными с формированием тарифов и проведением торгов с ограничением конкуренции. Кроме того, Счетная палата выявила завышение смет при строительстве новых станций. Господин Гаев ушел в отставку по собственному желанию.
С 7 февраля 2011 года главой метрополитена стал Иван Беседин. При нем 15 июля 2014 года произошла крупнейшая авария в истории московского метро, в результате которой погибли 23 человека, более 200 пострадали.