立川駅と国分寺駅で快速に接続するほか、三鷹駅・中野駅で快速を追い越す列車がある。
なお、「通勤特快」の種別が存在するのは当路線のみである。　
特別快速（中央特快・青梅特快）.
通勤快速.
快速.
中央特快・青梅特快・通勤快速とは（中央特快のみ豊田駅）・立川駅・国分寺駅・三鷹駅で、通勤特快とは立川駅・国分寺駅で、特急とは新宿駅・三鷹駅・立川駅・八王子駅でそれぞれ接続する。それ以外に、四方津駅・相模湖駅・高尾駅・豊田駅・国立駅・東小金井駅・中野駅で中央特快・通勤特快・特急の通過待ちを行う場合もある。
普通（中距離列車）.
「むさしの号」.
ホリデー快速.
土曜・休日には行楽客などを対象にホリデー快速が運行される。
このうち定期列車の青梅線直通「ホリデー快速おくたま」は特別快速（電車）のグループに含まれるが、青梅線内でも通過運転を行う。基本的に青梅線方面が新宿始発で、東京方面が東京行きである。
過去に運行されていた列車.
ホリデー快速あきがわ.
ホリデー快速ビューやまなし.
新宿駅から中央本線甲府・小淵沢方面へ直通運転していたホリデー快速。列車種別が「快速」（列車）であるものの、特別快速より停車駅が少なく設定されていた（新宿駅・三鷹駅・立川駅・八王子駅・高尾駅のみに停車し、中野駅・国分寺駅・日野駅・豊田駅・西八王子駅ほか高尾駅以西の一部駅は通過）。これは、かつて存在した新宿駅発着の普通（前述）の上位種別として設定された列車であることによる。
ホームライナー.
各駅停車.
このほか、新宿駅跨線橋架け替え工事が行われる場合など、急行線が使用停止になる際には、快速電車の運行が中止され、終日東京駅発着の各駅停車が運行されたことがあった。この場合、総武線直通電車と交互に運行された（総武線直通と中央線の本数は通常より減り、東西線との直通運転は中止となる）。また、大晦日から元旦にかけての終夜運転では、基本的に中野駅発着の総武線直通電車と高尾方面発着の中央線車両による各駅停車が交互に運転されていた。
利用状況.
近年の統計データ上では、首都圏の各鉄道路線の中で最も高い輸送力・輸送人員を持つ運転系統路線となっている。
使用車両.