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同的的山形新干线／山形线（轨距1,435毫米）的独立单线，为仙山线的铺设打下基础，北山形站－山形站之间与左泽线列车共用