東北 本線 の 仙台 から 奥羽 山脈 を 越え て 日本海 側 に 至る 鉄道 で 、 旧 鉄道 敷設 法 に 規定 する 「 宮城 県 下石 ノ 巻 ヨリ 小牛田 ヲ 経 テ 山形 県 下 舟形 町 ニ 至 ル 鉄道 」 の 一部 で ある 。
ライン カラー は ピンク （{ color |# ff 9999 |■}） で 、 全線 が JR 東日本 仙台 支社 が 管轄 し て いる 。
震災 前 は 、 仙台 駅 から 当 路線 を 経由 し て 気仙沼線 に 直通 する 快速 「 南 三陸 」 も 運転 さ れ て い た （ 当 路線 内 は 上 涌谷 駅 を 通過 ） 。
2013 年 3 月 16 日 時点 で 仙石線 も 一部 区間 が 不通 と なっ て おり 、 東北本線 小牛田 駅 経由 で 朝 に 石巻 発 仙台 行き 、 夜 に 仙台 発 石巻 行き の 直通 快速 が それぞれ 1 本 運行 さ れ て いる 。
いずれ も 途中 無 停車 で 、 仙石線 経由 の 定期 券 や 乗車 券 が 利用 でき 、 仙台 駅 直通 の ため 仙石線 代替 バス 乗り継ぎ より も 30 分 程度 短縮 と なる 。
ダイヤ 上 は 石巻港 駅 と 小牛田 駅 と 仙台 貨物 ターミナル 駅 を 結ぶ 列車 で ある が 、 継走 先 は 岩沼 駅 ・ 北王子 駅 （ 2014 年 3 月 14 日 まで ） ・ 新座貨物ターミナル 駅 宛て で ある 。
2013 年 1 月 24 日 の JR 東日本 仙台 支社 長 定例 記者 会見 で は 、 浦 宿駅 - 女川 駅 間 の 復旧 時期 は 明言 を 避け 、 女川 町 が 要望 する 2015 年度 の 復旧 について 「 技術 的 に 可能 か どう か 、 町 側 と 検討 する 」 と し て いる 。
また 、 仙石線 高城町 駅 - 矢本 駅 間 が 長期 運休 と なっ た こと に 伴い 、 2011 年 12 月 から 石巻 - 仙台 間 で 臨時 快速 が 運行 さ れ て いる 。
当初 は 仙台 行 の 片道 のみ だっ た が 、 2012 年 1 月 から は 石巻 行 も 運行 さ れ て いる 。
前谷地 駅 - 陸前小泉 駅 間 は 仙台 支社 、 本吉 駅 - 気仙沼 駅 間 は 盛岡 支社 の 管轄 で ある 。
国鉄 時代 に は 臨時 列車 を 除き 各駅 停車 しか 設定 さ れ て い なかっ た が 、 JR 東日本 発足 後 は 仙台 と 南 三陸 諸 都市 を 結ぶ 短絡 線 として 着目 さ れ 、 快速 「 南 三陸 」 の 運行 など によって 都市 間 連絡 機能 において 大船渡線 に 取っ て 代わっ た 。
また 、 震災 前 は 仙台 と 気仙沼 を 結ぶ 快速 列車 「 南 三陸 」 が 2 往復 運転 さ れ て おり 、 うち 1 往復 （ 2 ・ 3 号 ） に は 指定 席 車 が 連結 さ れ て い た 。
1999 年 以降 は 、 毎年 夏 に 三陸 鉄道 北リアス線 ・ 南リアス線 など から なる 三陸 縦貫 鉄道 を 経由 し て 八戸 駅 から 仙台 駅 まで 直通 する 臨時 快速 列車 「 リアス・シーライナー 」 が 運転 さ れ て い た が 、 東日本 大震災 で 三陸 縦貫 鉄道 の 各線 が 不通 と なっ た ため 2011 年 以降 は 運転 さ れ て い ない 。
安積永盛 駅 は 同社 仙台 支社 の 管轄 で あり 、 磐城 守山 駅 - 安積永盛 駅 間 （ 水戸 起点 135 km 地点 。
いわき 駅 構内 を 含む 常磐 線 と の 併走 区間 が 水戸 支社 、 赤井 駅 - 郡山 駅 間 が 仙台 支社 の 管轄 で あり 、 いわき 駅 と 赤井 駅 の 間 （ いわき 駅 起点 1 . 0 km 地点 ） に 支社 境 が ある 。
船引 駅 - 郡山 駅 間 は IC 乗車 カード 「 Suica 」 の 仙台 エリア に 含ま れ て いる 。
1982 年 まで は 急行 「 いわき 」 （ 最盛 期 2 往復 、 グリーン 車 を 連結 ） という 優等 列車 が 当 線 経由 で 常磐 線 水戸 駅 - 東北本線 仙台 駅 間 に 設定 さ れ て い た 。
冬季 の 平均 最低 気温 は 東北 南部 の 仙台 市 や 福島 市 より 低く なっ て いる 。
小出 駅 - 大 白川 駅 間 は 新潟 支社 管内 、 只見 駅 - 会津若松 駅 間 は 仙台 支社 管内 で ある 。
準急 「 あ いづ 」 として 1959 年 に 仙台 駅 - 喜多方 駅 間 で 運行 を 開始 。