朝夕 など の 多客 時間 帯 に は 、 仙台 駅 - 岩沼 駅 間 の 区間 列車 ・ 利府 駅 と 仙台 方面 を 直通 運転 する 列車 が 設定 さ れ て おり 、 この 時間 帯 の 1 時間 あたり の 本数 は 仙台 駅 - 名取 駅 間 で は 最大 10 本 程度 、 仙台 駅 - 岩切 駅 間 で は 最大 6 本 の 運行 体制 と なる 。

福島 駅 および 一ノ関 駅 から 仙台 方面 に 直通 する 列車 の 一部 は 、 それぞれ 白石 駅 ・ 小牛田 駅 で 列車 編成 の 増 解 結 が 行わ れる 。

運行 本数 は 1 時間 あたり 1 本 程度 で 、 朝晩 に 石越 駅 発着 の 仙台 方面 へ の 直通 列車 が 、 水沢 駅 から は 盛岡 方面 に 直通 する 快速 「 アテ ルイ 」 が 朝 下り 1 本 のみ 設定 さ れ て いる 。

全 列車 が 一ノ関 駅 を 始発 ・ 終着駅 と し 、 当 区間 の 南側 で は 小牛田 駅 ・ 北側 で は 北上 駅 を またぎ 、 それぞれ 仙台 駅 方面 （ 一部 小牛田 止まり ） ・ 盛岡 駅 方面 （ ほぼ 全 列車 ） と 直通 運行 さ れ て いる 。

1 時間 に 1 本 の 運行 だ が 仙台 方面 から 盛岡 方面 へ の 乗り換え は 1 時間 ほど 待ち時間 が 発生 する 場合 が ある 。

仙台 駅 方面 と 直通 する 列車 の 一部 は 、 小牛田 駅 で 列車 編成 の 分割 併合 が 行わ れる 。

一ノ関 駅 - 小牛田 ・ 仙台 方面 は ワンマン 2 両 編成 が 大半 な の に対し 、 一ノ関 駅 - 盛岡 方面 は 4 両 編成 が 多く なっ て いる 。

仙台 駅 - 一ノ関 駅 間 に関して は 高速 バス 仙台 - 一ノ関 線 が 1 時間 に 1 - 2 本 の 割合 で 運行 さ れ て い て 、 在来 線 用 W きっぷ が 無い この 区間 において は 高速 バス に対して 運賃 ・ 時間 とも 劣勢 と なっ て いる 。

東北 本線 内 で 定期 貨物 列車 が 発着 する 駅 は 、 宇都宮貨物ターミナル 駅 ・ 郡山貨物ターミナル 駅 ・ 郡山 駅 ・ 岩沼 駅 ・ 仙台 貨物 ターミナル 駅 ・ 水沢 駅 ・ 盛岡貨物ターミナル 駅 で ある 。

また 陸前山王 駅 から は 貨物 専用 の 仙台 臨海 鉄道 に 、 小牛田 駅 から は 石巻 線 の 貨物 列車 に 接続 し て いる 。

なお 仙台 付近 の 長町 駅 - 東仙台 駅 間 で は 、 旅客 駅 の 仙台 駅 を 経由 し ない 貨物 列車 専用 の 支線 （ 通称 “ 宮城野 貨物 線 ” ） を 経由 し て おり 、 仙台 貨物 ターミナル 駅 も 同 貨物 線 に ある 。

仙台 地区 へ の E 721 系 導入 に 伴い 、 417 系 が 2007 年 7 月 1 日 に 、 717 系 、 455 系 は 同年 11 月 10 日 に 運用 を 離脱 し た 。

当初 、 これら の 路線 は 東京 - 高崎 間 が 第 一 区 線 、 第 一 区 線 の 途上 駅 - 宇都宮 - 白河 間 が 第 二 区 線 、 白河 - 仙台 間 が 第 三 区 線 、 仙台 - 盛岡 間 が 第 四 区 線 、 盛岡 - 青森 間 が 第 五 区 線 と さ れ 、 この 順番 で 建設 が 進め られ た 。

第 三 区 線 の 北 半分 の 区間 において は 、 1882 年 （ 明治 15 年 ） 11 月 30 日 に 福島 から 仙台 区 （ 現 仙台 市 ） を 経 て 石巻湾 （ 仙台 湾 ） の 野蒜 築港 に 至る 経路 で 測量 が 認可 さ れ た 。

しかし 、 野蒜 築港 が 1884 年 （ 明治 17 年 ） 9 月 15 日 の 台風 で 損壊 し て 機能 不全 に 陥っ た ため 、 1886 年 （ 明治 19 年 ） より 松島湾 （ 仙台 湾 ） の 塩釜 港 で 建設 資材 の 陸揚げ が 開始 さ れ た 。

この ため 第 三 区 線 の 北 半分 の 区間 は 、 仙台 駅 を 過ぎ て 塩竈 駅 （ 後 の 塩釜線 塩釜 埠頭 駅 。

盛岡 駅 まで の 第 四 区 線 は 、 野蒜 築港 の 挫折 を 受け て 野蒜 を 経由 し ない 経路 に なっ た ため 、 仙台 駅 - 塩竈 駅 間 の 途中 に ある 岩切 駅 から 分岐 し て 松島 丘陵 を 越え て 北上 する 経路 で 建設 さ れ た 。

仙台 駅 で 夜間 工事 が 行わ れ た 際 （ 特に 東北新幹線 工事 の 行わ れ た 1970 年代 後半 が 中心 で あっ た ） 、 「 はく つる 」 「 ゆう づる 」 「 北斗星 」 「 カシオペア 」 「 八甲田 」 といった 仙台 駅 を 深夜 に 発着 、 または 通過 する 夜行 列車 が 同 駅 を 避け て この 貨物 線 を 経由 し て 運転 を 行っ た こと が ある 。

この とき 、 仙台 停車 が 必要 と さ れ た 列車 は 、 長町 駅 に 停車 し て い た 。

ただし 、 松島 駅 に は 仙石線 ・ 東北 本線 接続 線 の ホーム が 設け られ ない ため 、 本線 と の 乗換 駅 は 仙台 寄り の 隣 の 駅 で ある 塩釜 駅 と なる 。