1937 年 （ 昭和 12 年 ） の 全線 開通 日 の 一番 列車 で は 、 上り が 山形 発 5 時 25 分 、 仙台 着 7 時 57 分 で 所要 2 時間 32 分 、 下り が 仙台 発 5 時 58 分 、 山形 着 8 時 34 分 で 所要 2 時間 36 分 で あっ た が 、 両 都市 間 の 移動 で は 当時 最速 で あっ た 。

その後 、 日本 初 の 交流 電化 を 初め と し た 技術 革新 により 所要 時間 は 短縮 さ れ て いき 、 山形 自動車 道 の 整備 によって 両 都市 間 を 結ぶ 自動車 専用 道路 が 全通 と なる 1991 年 （ 平成 3 年 ） を 前 に し て 、 1990 年 （ 平成 2 年 ） に は 95 km / h まで 最高 速度 を 上げ 、 仙台 - 山形 ノンストップ 特別 快速 「 仙山 」 の 所要 時間 は 51 分 まで 短縮 さ れ た 。

しかし 、 1998 年 （ 平成 10 年 ） 7 月 に 笹谷 トンネル が 山形 自動車 道 に 編入 さ れる と 、 同年 12 月 に は 「 仙山 」 は 仙台 - 山形 ノンストップ で は なくなり 、 最短 の 所要 時間 は 徐々に 長く なっ た 。

全 区間 で 快速 運転 を 行う 速達 列車 （ A 快速 ） と 、 山寺 駅 - 山形 駅 間 が 各駅 停車 と なる B 快速 、 仙台 駅 - 愛子 駅 間 が 各駅 停車 と なる C 快速 の 3 種 が ある 。

現在 最速 の 快速 列車 （ A 快速 ） の 仙台 駅 - 山形 駅 間 における 中間 停車 パターン は 北 仙台 駅 ・ 国見 駅 ・ 陸前 落合 駅 ・ 愛子 駅 ・ 作並 駅 ・ 山寺 駅 ・ 羽前 千歳 駅 ・ 北山形 駅 で ある 。

2003 年 9 月 30 日 まで は 、 土曜 ・ 休日 に 途中 停車駅 を 山寺 駅 と 北 仙台 駅 に 限定 し た 特別 快速 「 ホリデー 仙山 」 が あっ た が 廃止 さ れ た 。

また 、 1999 年 3 月 11 日 まで は 仙台 駅 と 山形 駅 を ノンストップ で 結ぶ 特別 快速 「 仙山 」 が あっ た 。

天候 不良 や ダイヤ の 遅れ など により 普通 列車 の 一部 が 運休 に なっ た 場合 、 快速 列車 の 種別 に 関わら ず 仙台 駅 - 愛子 駅 間 各駅 停車 と なる こと が ある 。

近年 で は 快速 列車 の 運行 本数 は 減少 傾向 に あり 、 代わっ て 仙台 駅 - 山形 駅 間 の 普通 列車 が 増加 傾向 に ある 。

普通 列車 は すべて の 列車 が 仙台 駅 発着 で ある 。

快速 列車 の 運転 さ れ ない 時間 帯 に 仙台 駅 - 山形 駅 間 直通 の 列車 が ある ほか 、 仙台 駅 - 愛子 駅 ・ 作並 駅 間 の 区間 運転 も ある 。

仙台 の 近郊 区間 で あり 、 通勤 ・ 通学 において 利用 客 が 多い 。

しかし この 区間 は 単線 で ある 上 、 交換 可能 駅 が 北 仙台 駅 ・ 国見 駅 ・ 陸前 落合 駅 のみ で ある ため 増発 は 困難 に なっ て いる 。

根本 的 な 増発 対策 として 、 仙台 - 北仙台 間 の 高架 複線 化 の 構想 が ある が 、 東照宮 付近 の 景観 悪化 が 課題 と なっ て 、 実現 に は 至っ て い ない 。

また 、 山形 県 から 山形 新幹線 の 輸送 力不足 を 主 な 理由 と し た 「 仙台 - 愛子 間 の 交換 可能 駅 の 増加 」 など の 要望 も 出 て いる が 、 用地 など の 問題 で 実現 は 難しい 。

通勤 需要 の 多い 仙台 駅 - 愛子 駅 間 や 観光 需要 の 多い 作並 駅 - 山形 駅 間 と 比べる と 利用 者 数 が 少なく 、 1 日 12 往復 の 普通 列車 （ 2 時間 に 1 本 程度 ） のみ が 停車 する 区間 で ある （ 両端 の 愛子 駅 ・ 作並 駅 を のぞく ） 。

沿線 に は 作並 街道 沿い に 集落 が 点在 し て いる が 、 利用 シェア は 競合 する 仙台 市営 バス （ 1 時間 あたり 2 本 ） に 大きく 水 を 空け られ て おり 、 陸前白沢 駅 ・ 熊ケ根 駅 ともに 1 日 平均 乗車 人員 が 100 人 前後 の 閑散 区間 で ある 。

かつて は 仙台 駅 - 作並 駅 間 の 区間 列車 が 多数 設定 さ れ て い た が 、 その 大半 が 愛子 駅 折り返し に 縮小 さ れ 、 2012 年 3 月 の ダイヤ 改正 時点 で 下り 作並 行き 2 本 ・ 上り 仙台 行き 3 本 のみ の 運行 と なっ て いる 。

更に 2015 年 3 月 14 日 の ダイヤ 改正 で 夕方 の 1 往復 が 愛子 止まり と なり 、 朝 の 下り 作並 行き 1 本 、 上り 仙台 行き 2 本 に 減少 する 。

近年 は 高速 バス の 台頭 により 仙台 駅 - 山形 駅 間 の 通し の 客 は 減少 傾向 で ある が 、 それほど 利用 が 少ない わけ で は ない 。