山线全线皆为单线配置，因此在大部分的车站都设置有复数以上的路轨以便利列车交会，行控中心设于仙台（仙台输送指令室）。此线使用20,000伏特、50赫兹的交流电，于1955年在部份路段试用，1957年全线启用，为日本最早的交流电铁路。此线是日本第一条以交流电营运的路线（详情参见「#交流电发祥地」一节）。起点的仙台站可转乘东北新干线与东北本线，终点的羽前千岁站可转乘奥羽本线。所有列车都停途经羽前千岁直通至奥羽本线的山形站，因此作为运行系统的仙山线会包括奥羽本线羽前千岁站－山形站之间一段。同一路段还有轨间不