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。中途没有通过其他市町村直接彼此连结县厅所在地，而且完全只铺设在两座城市之间的JR路线就只有仙山线一条。2003年（平成15年）起，连结与的仙台站－爱子站间成为