仙山線
運行形態
運転系統としては、仙台駅 - 山形駅間であり、羽前千歳駅 - 山形駅間では奥羽本線に乗り入れる形をとる。この羽前千歳駅 - 山形駅間は1999年（平成11年）の山形新幹線の山形駅 - 新庄駅間の延伸に伴い、複線の奥羽本線のうちの単線が狭軌（軌間1,067mm）から標準軌（軌間1,435mm）に改軌され、それと同時にもう1本の単線が仙山線・左沢線の乗り入れ用として狭軌のまま残された。それ以降、実質的には仙台駅 - 山形駅間の全区間で独立した単線を持つ路線となっている。仙台駅に近づくほど日中でも利用者が増えていくため、列車は終日にわたり4両または6両編成で運転される。
快速列車
全線を通して運転される都市間連絡列車として快速列車が、朝ラッシュ時から夕方にかけて、1 - 2時間に1本の割合で運転されている。停車駅パターンは次表A - Cの3種類があり、主にCの列車が運転されている。
普通列車
普通列車はすべての列車が仙台駅発着である。快速列車の運転されない時間帯に仙台駅 - 山形駅間直通の列車があるほか、仙台駅 - 愛子駅・作並駅間の区間運転もある。
仙台駅 - 愛子駅間
1時間あたり2 - 4本の列車が運行されている。仙台の近郊区間であり、通勤・通学利用客が多く、仙台圏のJR在来線では東北本線（白石 - 仙台間）に次ぐ需要がある区間となっている。
1984年（昭和59年）2月1日のダイヤ改正において、仙台駅 - 愛子駅間に北山および国見の両駅が開業したことに伴い、愛子駅に3番線ホームを開設して同区間に区間列車を設定した。これにより同区間の普通列車の本数は急増し、ダイヤ改正ごとに増発が繰り返された。しかしこの区間は最急勾配25‰の単線である上、交換可能駅が北仙台駅・国見駅・陸前落合駅のみであるため増発は困難になっている。このような過密ダイヤのため、時折設定される臨時快速列車（「ゲレンデ蔵王」「ゴロンとさくらんぼ山形」など）は定期快速列車と比較して停車駅が大幅に少ないにもかかわらず普通列車よりも時間がかかる。根本的な増発対策として、仙台駅 - 北仙台駅間の高架複線化の構想があるが、東照宮付近の景観悪化が課題となって、実現には至っていない。
愛子駅 - 作並駅間
通勤需要の多い仙台駅 - 愛子駅間や観光需要の多い作並駅 - 山形駅間と比べると利用者数が少なく、昼時間帯の陸前白沢駅・熊ケ根駅は普通列車が2時間に1本程度停車するのみである。沿線には作並街道沿いに集落が点在しているが、利用シェアは競合する仙台市営バス（1時間あたり2本）に大きく水を空けられており、陸前白沢駅・熊ケ根駅ともに1日平均乗車人員が100人前後の閑散区間である。
かつては仙台駅 - 作並駅間の区間列車が多数設定されていたが、その大半が愛子駅折り返しに見直され、2012年3月17日のダイヤ改正時点で下り作並行き2本・上り仙台行き3本のみの運行となった。さらに2015年3月14日のダイヤ改正で夕方の1往復が愛子止まりとなり、朝の下り作並行き1本と上り仙台行き2本のみとなった。
作並駅 - 山形駅間
快速列車の合間をぬうように普通列車が運行されている。1時間あたり1 - 2本程度の運行頻度である。近年は高速バスの台頭により仙台駅 - 山形駅間の通しの客は減少傾向であるが、それほど利用が少ないわけではない。この区間は作並温泉や松尾芭蕉のおくのほそ道でも有名な「山寺」、スキー場のある「面白山」などの観光地、行楽地があるため、観光・行楽シーズンは混雑する。一部を除く快速の停車しない駅は沿線人口が少なく、愛子駅 - 作並駅間とほぼ同程度の運行頻度である。
他の路線への直通運転
山形側では、古くより奥羽本線の山形以南の赤湯・米沢方面や羽前千歳以北の楯岡（現在の村山）・新庄方面への直通運転が行われていたが、1992年の山形新幹線（福島 - 山形間）の開業に伴う標準軌改軌により、赤湯・米沢方面への直通が不可能となった。その後も楯岡・新庄方面への直通運転は行われたが、1999年の山形新幹線（山形 - 新庄間）の延伸開業後は羽前千歳以北への直通も不可能となり、奥羽本線とは完全に分離された状態となった。
仙台側についても、以前は福島駅・岩沼駅・白石駅・松島駅・小牛田駅発着の東北本線直通列車が定期列車として運行されており、仙台空港鉄道仙台空港線（仙台空港アクセス線）の開業と同時に仙台空港駅まで相互直通運転を求める動きもあった。しかし、2005年12月に行われた宮城・山形両県知事とJR東日本との会談では、仙台空港線開業と同時に仙山線と直通運転するのは困難との見解がJRから示された。当時のJRは、仙山線の遅延が他線に波及するのを防ぐため東北本線直通列車を漸次縮減しており、仙台空港線の開業と同時に行われた2007年3月18日のダイヤ改正では東北本線直通列車（愛子発岩沼行2本）を全廃している。同日のダイヤ改正以降、東北本線に直通する定期列車は1本も設定されていない。
2007年4月・5月には団体専用臨時列車として山形・仙台空港間を直通する列車が設定されたが、仙山線 - 仙台空港アクセス線を直通運転する臨時列車はこれを最後に一度も運行されていない。その後、山形県の議会や行政を中心に仙台空港線への直通を求める要望が度々論議に上がっているが、仙台空港アクセス線は都市型ワンマン運転を実施しているためE721系500番台とSAT721系電車のみの限定運用となっており、JRは仙台駅 - 仙台空港駅間のダイヤ乱れを防止する観点から仙山線との直通運転には難色を示している。
歴史
仙台と山形を鉄道で結ぶという議論は明治10年代末から存在した。これは、現在の東北本線の前身に当たる日本鉄道が仙台を経由して建設されることに合わせて、山形まで鉄道を実現するという構想だった。仙台と山形の間の鉄道は山形県側だけではなく宮城県側も要望していた。しかし、この要望はすぐには実を結ばず、山形への鉄道としては現在の奥羽本線が先に建設された。
仙台と山形の間の鉄道構想においては、路線の経路が問題となっていた。この二つの県庁所在地の間には奥羽山脈が横たわっており、関山峠、二口峠、笹谷峠が鉄道路線の経路として考えられ、関係する市町村がそれぞれの思惑から誘致活動を行っていた。しかし、このような状況は鉄道の実現に望ましくないと考えた仙台側と山形側の双方が、1919年（大正8年）に誘致運動を一旦白紙化した上で一元化するすることを決めた。仙山線の計画が進まない一方で、宮城県と山形県を結ぶ初の鉄路として陸羽東線が1917年（大正6年）に開通した。
1922年（大正11年）4月11日に公布・施行された（改正）鉄道敷設法の別表第20号に仙山線は規定され、12月27日より始まった第46回帝国議会で承認されて1923年（大正12年）の着工が決定された。しかしこの年の9月1日、関東地震（関東大震災）が発生した。この震災の復興を優先するために、政府は重要路線を選別した上で鉄道の建設を続けることを決めた。仙山線建設の望みは薄いとも考えられたが、1925年度（大正14年度）からの着工が改めて決まった。
仙山線の建設は1926年（大正15年）4月に宮城県側から始まった。1929年（昭和4年）に仙山東線（せんざんとうせん）として仙台駅 - 愛子駅間が開業し、1931年（昭和6年）には作並駅まで路線が延びた。この区間においては仙台市北部の新設駅の場所を巡って論争が起きた。また、この間、濱口内閣によって熊ヶ根、奥新川、山形の各工区の工事が中止させられるという一幕があった。
仙台側の鉄路の敷設が進む一方で、鉄道の経路に論争があった山形側の着工は遅れた。鉄道省は、東村山郡千歳村長町において奥羽本線から分岐する形で仙山線を建設する計画を立てていた。しかし、山形には山形市街地東部を経由する形で仙山線の建設を望む声があり、千歳での分岐が決定的になった後も、線路の東側迂回および駅の設置の要望がくすぶり続けた。その一方でこれに反対する意見もあった。この問題は解決を見ぬまま、1931年（昭和6年）に山形市会から鉄道省に一任された。1932年（昭和7年）に千歳から楯山と山寺を経由して仙台側へ路線を建設することが決まり、この年の9月に工事が始まった。そして、1933年（昭和8年）に仙山西線（せんざんさいせん）として羽前千歳駅 - 山寺駅間が開業した。この時、仙山東線、西線いずれも非電化であり、蒸気機関車が走行した。蒸気機関車の方向転換のために、当時の作並駅と山寺駅には転車台があった。
残された作並駅 - 山寺駅間は1937年（昭和12年）に開通した。奥羽山脈を横断するこの区間には全長5361メートルの仙山トンネルが建設された。これは当時としては、上越線の清水トンネル、東海道本線の丹那トンネルに次ぐ、日本国内で3番目の長さを持つトンネルだった。トンネルの宮城県側は、湧水が多かったが、地質が良好で1日平均約10.5メートル掘り進み、予定されていた工期を短縮するほど順調な工事が行われた。一方の山形県側は、湧水は少なかったが、粉塵が多くて苦労があったという。この長大トンネルにおける蒸気機関車の煤煙被害を避ける目的で、作並 - 山寺間は開業当初から直流電化され、電気機関車がここを走行した。作並駅には仙台機関区作並機関支区が置かれ、ED19形電気機関車4両が配置された。また、全線の開通に伴って路線名が仙山線となった。
全線開通日の一番列車では、上りが山形駅発5時25分、仙台駅着7時57分で所要2時間32分、下りが仙台駅発5時58分、山形駅着8時34分で所要2時間36分であった。当時は、奥羽山脈を横断する直流電化区間の山寺駅 - 作並駅間では電気機関車で運行し、電化されなかった山形駅 - 山寺駅間、および、作並駅 - 仙台駅間では蒸気機関車で運行したため、山寺駅および作並駅では機関車の付け替えが行われた。
開通当時の仙山線では、行商の女性達が主要な乗客となった。彼女達は山形から野菜等を運んで仙台で売り、太平洋側の港で揚がる海産物を山形に運び、両都市の物流を担った。
交流電化以後
1984年（昭和59年）に仙山線は大きな変化を迎えた。仙山線の仙台駅 - 愛子駅の間にある駅は、開通当初から北仙台駅と陸前落合駅の2駅のみだったが、この年、この区間に請願駅として北山駅と国見駅が開業し、さらに仙台駅と愛子駅の間を往復する列車が設定された。これは、当時の仙台市北西部や宮城町において団地の開発が進んで住人が増え、通勤需要が生じたためである。この後、1988年（昭和63年）の東照宮駅、1991年（平成3年）の葛岡駅と、請願駅の開業が相次いだ。2000年代に入ると沿線の東北福祉大学が新駅設置に動き出し、JR東日本や仙台市と協議した。その結果、東北福祉大学が建設費を全額負担することで駅の設置が決まり、2007年（平成19年）3月18日に東北福祉大前駅が開業した。
かつて急行列車だった「仙山」は1982年（昭和57年）に快速列車へと変わり、ダイヤ改正の度にしばしば増発が行われた。1985年（昭和60年）には仙台駅と山形駅をノンストップで結ぶ特別快速「仙山」1往復が登場した。1990年（平成2年）には設備の改良で最高速度が95km/hに上がり、ノンストップ列車は仙台駅と山形駅を51分で結んだ。また、奥羽本線福島駅 - 山形駅間改軌工事の折、当該区間で列車運行が不可能であったことから、輸送力不足を補うために、455系電車9両編成によるノンストップの特別快速「仙山」の運転も見られた。しかし、1998年（平成10年）12月にノンストップの「仙山」はなくなり、これ以後、快速列車の停車駅は拡大していった。2001年（平成13年）には土曜・休日に途中停車駅を山寺駅と北仙台駅に限定した特別快速「ホリデー仙山」が誕生したが、2003年（平成15年）に廃止された。
仙台空港鉄道仙台空港線の建設にあたっては、仙山線の高速化および仙台空港アクセス線との相互直通化の調査を1999年（平成11年）度から国土交通省が行い、各界からも両件の実現を望む声が上がった。続いて東北運輸局も両件に関して「公共交通活性化総合プログラム」の調査を行った。仙台空港線は2007年（平成19年）に開業したが、仙山線と直通運転する定期列車は設定されていない。
新駅構想
小田原3丁目 - 4丁目のキリンビールの敷地（仙台駅 - 東照宮間）に新駅を設置する案が何度か出て、1986年12月には市議会に仮称小田原駅が請願されたが、今のところ実現には至っていない。
また、青葉区中江付近から北仙台駅までを高架化し、新石巻街道踏切付近に新駅（中江駅）を設ける構想もある。高架化案に対しては東照宮駅付近の景観を害するものだとして、地元住民から反発の声も上がっている。市議会の議事録における議員や市当局の発言をまとめると、中江付近の立体交差についてはJRも同意しているので、時期は未定だが建設される見込みである。一方で、複線化は難しいとのことである。