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线双复线轨道增设完成，山手线电车与京滨东北线电车分离运行，各自使用独立的轨道设施。1972年，赤羽站～池袋站段与山手线分离，1985年与新建的东北本线别线，组成「埼京线」运行系统。