電車は、総武本線では千葉駅・幕張駅（平日のみ）・津田沼駅・西船橋駅、中央本線では御茶ノ水駅・中野駅・三鷹駅を始発・終点とする形で運転されている。前述のとおり、三鷹駅・中野駅から御茶ノ水駅・津田沼駅・千葉駅方面を「東行」、千葉駅・津田沼駅・御茶ノ水駅から中野駅・三鷹駅方面を「西行」と呼んで区別している。また、早朝・深夜の総武本線内および中央本線内完結電車についても、総武本線では千葉駅から津田沼駅方面へ行く電車を「西行」、御茶ノ水駅から千葉駅方面へ行く電車を「東行」、中央本線では御茶ノ水駅から三鷹駅方面へ行く電車を「西行」、三鷹駅から御茶ノ水駅方面へ行く電車を「東行」と区別されている（運行ダイヤなどの詳細は後述）。
中央・総武線（各駅停車）.
御茶ノ水駅を境に中央本線緩行線と総武本線緩行線の直通運転（以下、本節では「中央・総武線」と表記）が実施されている。
御茶ノ水駅では中央線快速系統の電車と対面乗り換えできるものの、双方の接続は行われない場合がある。一方、総武快速線系統の電車とは対面乗り換えができず、分岐駅である錦糸町駅での接続は考慮されない。
かつては、平日朝ラッシュ時を中心に千葉方面から飯田橋駅で折り返す電車もわずかに設定されていた。しかし、現在は市ケ谷寄りに設置されていた引上線が撤去され、折り返し運転が不可能になっている。
その空いたスペースを利用してカーブに掛かっていた飯田橋駅のホームを市ケ谷方にずらす工事が行われたため、現在、折り返し運転が行われていたものを示すものは残っていない。
早朝・深夜および臨時ダイヤでの運転.
西行の初電に御茶ノ水発三鷹行、朝の東行および深夜の西行に習志野運輸区からの出入庫を兼ねた千葉駅・津田沼駅発着、朝の西行および深夜の東行に中野駅・三鷹駅発着、平日のみ夜間の西行津田沼発西船橋行、東行の終電に三鷹発御茶ノ水行の区間電車が設定されている。これらの電車はすべて中央・総武緩行線専用の車両を用いて運行される。
東京メトロ東西線直通電車.
東京メトロ東西線と相互直通運転を行い、中央本線側が中野駅から三鷹駅まで、総武本線側が西船橋駅から津田沼駅までそれぞれ相互に乗り入れている。中央本線側は早朝と深夜を除く時間帯で半分弱の電車が東西線に直通しているが、総武本線側は平日朝夕のみの乗り入れである。
運転区間・頻度.