日俄战争爆发，铁路货物运输量大幅增加，因此从1904年新宿站-池袋站间的线路开始，至1910年，除池袋站-赤羽站区间外全线实现复线化。随着新的东京站完工启用，1919年，山手线的营运区间一度与延伸通车至东京站的中央线连接，形成「の」字形的运转方式（中野站～东京站～品川站～池袋站～上野站）。直到1925年11月1日，上野站～神田站段完工，山手线才真正转变为环状的营运区间。原本山手线电车于田端站～田町站段，与京滨线（也就是后来的京滨东北线）电车共用轨道，1956年11月19日，东海道本线电车线及东北本线电车