陸前山王 駅 で 仙台 臨海 鉄道 ・ 臨海 本線 が 右手 に 分岐 する と 、 陸奥 国府 ・ 多賀城 南大門 前 に あっ た 条 坊 制 都市 の 遺跡 の 上 を 突っ切り 、 松島 丘陵 に 入る 。

朝夕 に は 仙台 方面 から の 列車 が 当 駅 まで 運行 さ れ て いる 拠点 駅 で ある と共に 、 2007 年 3 月 まで くり はら 田園 鉄道 線 の 起点 駅 で も あっ た 。

岩手 県 の 油島 駅 ・ 花泉 駅 および 清水原 駅 を 過ぎ て 再び 宮城 県 に 戻る と 、 仙台 を 出 て から 旧 ・ 奥州 街道 の 道筋 と 大きく 離れ て い た 当 線 は 、 宮城 県 栗原 市 に 位置 する 有壁 駅 で 再び 旧 ・ 奥州 街道 （ および 東北新幹線 ） と 並 走 し 始める 。

同 駅 は 仙台 駅 以来 の 新幹線 駅 併設 駅 で あり 、 大船渡 線 へ の 乗り換え や 、 厳 美 渓 、 須川 高原 温泉 、 奥州 三 十 三 観音 霊場 など の 名所 へ 向かう 利用 客 で 賑わう 。

その後 、 胆沢 扇状地 および 六 原 扇状地 の 扇 端 を なぞる よう に 北上 し 、 旧 仙台 藩 と 旧 盛岡 藩 と の 旧 ・ 藩 境 を 越え て 新幹線 駅 併設 の 北上 駅 に 入る 。

宇都宮線 区間 は 東京 へ の 通勤 路線 および 大宮 ・ 宇都宮 の 各 都市 圏 路線 として 、 その他 の 区間 も 郡山 ・ 福島 ・ 仙台 ・ 盛岡 など の 地域 の 中心 都市 の 生活 路線 として 運行 体系 が 組ま れ て おり 、 遠隔 都市 間 を 結ぶ 在来 線 列車 は 臨時 列車 と 寝台 特急 列車 、 貨物 列車 のみ と なっ て いる 。

電化 後 も 含め 、 客車 による 長距離 普通 列車 が 運行 さ れ て い た 時代 の 上野 - 仙台 間 の 所要 時間 は 9 時間 30 分 から 10 時間 30 分 程度 かかっ て い た が 、 現在 は 中距離 普通 列車 （ 電車 ） を 乗り継い で 行く 必要 は ある ものの 、 同 区間 の 所要 時間 は 概ね 6 時間 15 分 から 40 分 程度 、 遅く て も 7 時間 30 分 以内 に 短縮 さ れ て いる 。

東北 本線 の 普通 ・ 快速 列車 は 概ね 、 東京 駅 - 宇都宮 駅 間 ・ 宇都宮 駅 - 黒磯 駅 間 ・ 黒磯 駅 - 郡山 駅 間 ・ 郡山 駅 - 福島 駅 間 ・ 福島 駅 - 白石 駅 間 ・ 白石 駅 - 仙台 駅 間 （ 黒磯 駅 - 仙台 駅 間 も あり ） ・ 仙台 駅 - 小牛田 駅 間 ・ 小牛田 駅 - 一ノ関 駅 間 （ 仙台 駅 - 一ノ関 駅 間 も あり ） ・ 一ノ関 駅 - 盛岡 駅 間 に 運転 系統 が 分かれ て おり 、 各 区間 内 の 需要 に 応じ た 区間 列車 が 運転 さ れ て いる 。

朝夕 の 一部 列車 は 黒磯 駅 ・ 白河 駅 - 福島 駅 ・ 仙台 駅 間 を 直通 運転 する ほか 、 福島 駅 以北 で は 仙台 駅 まで 直通 する 列車 が 主体 と なっ て おり 、 昼 前後 は 快速 列車 「 仙台 シティラビット 」 （ 平日 3 往復 、 多客 期 の 土 休日 に 2 往復 追加 ） として 運行 さ れ て いる 。

福島 駅 - 白石 駅 間 について は 基本 的 に 1 時間 あたり 1 本 で 、 普通 列車 と 快速 「 仙台 シティラビット 」 が 交互 に 運行 さ れ て いる 。

藤田 駅 - 白石 駅 間 で 快速 が 通過 する 貝田 駅 ・ 越河 駅 で は 1 時間 20 分 - 50 分 （ 仙台 方面 へ の 下り は 2 時間 ） ほど 停車 列車 が ない 時間 帯 が ある 。

福島 駅 - 仙台 駅 間 は 高速 バス 路線 （ 仙台 - 福島 線 ） と の 競争 が 激しい 区間 で ある 。

高速 バス 対策 で 快速 「 仙台 シティラビット 」 が 運行 さ れ 、 福島 駅 - 仙台 駅 間 往復 で 半額 近く 割引 する 企画 乗車 券 「 W きっぷ 」 を 発行 し て 対抗 は し て いる が 、 強風 など によって 列車 の 運休 が 多く 発生 する 区間 で も ある ため 、 { 要 出典 範囲 | 利用 者 数 が 減少 傾向 に ある 。

| date = 2011 年 10 月 } この ほか 、 福島 県内 区間 または 郡山 ・ 須賀川 方面 と 宮城 県 間 に は 福島 交通 が 運行 する 福島 - 郡山 線 や 、 福 交 ・ 宮城 交通 ・ JR バス 東北 共同 運行 の 仙台 - 郡山 ・ 須賀川 線 高速 バス も 運行 さ れ て いる 。

この 区間 は 、 宮城 県 仙台 市 の 都市 圏 輸送 区間 で ある 。

宮城 県内 の 通勤 通学 ・ 仙台 商圏 の 旅客 が 主体 と なっ て おり 、 ほとんど の 列車 が 仙台 駅 を 始発 ・ 終着 と し て いる 。

白石 駅 以南 福島 方面 および 小牛田 駅 以北 一ノ関 方面 から 仙台 駅 まで 直通 する 列車 も 複数 設定 さ れ 、 特に 仙台 駅 から 福島 方面 側 で は 快速 「 仙台 シティラビット 」 も 運転 さ れ て いる 。

かつて は 仙台 駅 を またい で 南北 に 直通 する 列車 が 多く 、 仙山線 に 直通 する 列車 （ 現在 は 廃止 ） も 少数 ながら 運行 さ れ て い た 。

1 時間 あたり の 運行 本数 は 白石 駅 - 仙台 駅 間 が 2 - 3 本 、 仙台 駅 - 松島 駅 間 が 3 本 、 松島 駅 駅 - 小牛田 駅 間 が 1 - 2 本 （ 昼 前後 のみ 60 分 間隔 、 ほか は 20 - 30 分 間隔 ） の 運行 で ある 。

この ほか 岩沼 駅 - 仙台 駅 間 で は 常磐線 浜 吉田 駅 から 乗り入れる 普通 列車 （ 20 分 - 1 時間 間隔 ） 、 名取 駅 - 仙台 駅 間 で は 仙台 空港線 直通 の 普通 ・ 快速 列車 （ 1 時間 あたり 1 - 3 本 ） が あり 、 名取 駅 - 仙台 駅 間 で は これら の 直通 列車 を 含む 1 時間 あたり 5 - 6 本 （ 昼間 ） の 列車 が 運行 さ れ て いる 。