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。全线位于仙台市内与山形市内，只有与东北本线的分岔部分通过仙台市宫城野区，奥新川站－仙山隧道之间部分通过太白区，但都没有设置车站、信号场等设施，车站全部位于仙台市青叶区内与山形市内。中途没