信越本線
高崎駅 - 横川駅間
東京 - 長野間の都市間輸送はすでに北陸新幹線の開業および信越本線の分断によりその役割を終えており、高崎駅 - 横川駅間は臨時列車を除けば各駅に停車する普通列車のみの運行で、ほぼ群馬県内のローカル輸送に徹した形となっている。なお、この区間は新幹線開業後も一貫して「信越線」と案内されている。高崎駅 - 横川駅間で1時間に1 - 2本程度の普通列車が運転されている。この区間のラインカラーは黄緑色になっている。ワンマン運転は行っていない。列車によっては後述の軽井沢方面への代替バス（ジェイアールバス関東が運行）に接続している。
篠ノ井駅 - 長野駅間
この区間は北陸新幹線開業以降も引き続きJR東日本が運営している。しかし、篠ノ井駅 - 長野駅間で完結する列車は定期設定がなく、すべてが篠ノ井線およびしなの鉄道しなの鉄道線・北しなの線との乗り入れ列車である。このため運転系統上は篠ノ井線としなの鉄道線の延長のようになっており、この区間の列車は、直通先の「篠ノ井線」「しなの鉄道線」と案内されることが多い。
優等列車は篠ノ井線から乗り入れる名古屋からの特急「しなの」が走っている。
普通・快速列車は基本的には長野市周辺の輸送を担っているが、特に篠ノ井線直通列車は、その先飯田線へ直通する「みすず」をはじめ、中央本線方面へ向かう列車を中心に長距離運転するものが多く、特急と同じく長野県内の主要都市間輸送を担っている面もある。
直江津駅 - 新潟駅間
この区間は日本海縦貫線の一部としてかつては長距離運行する優等列車が多数設定されていたが、列車の系統分割・再編・廃止などによって徐々に縮小され、北陸新幹線金沢開業に伴う特急「北越」の廃止（「しらゆき」等へ再編）が行われた2015年3月14日以降は、新潟県内都市間を相互に結び、上越・北陸の各新幹線と接続する列車として特急と快速列車、ローカル輸送を担う列車として普通列車が主に運行されている。また、近年高速バスとの競合が激しくなっており、新潟駅 - 長岡駅間の格安回数券の発売や快速の運転などでサービスアップなどを図っている。なお、長岡駅 - 新潟駅間は上越新幹線が並行しているが、経由地が異なることもあり、相互に補完し合う関係となっている。
普通列車
普通列車は長岡駅でほぼ運転系統が分断されている。
長岡駅 - 新津駅間は1時間に1本程度であるが、朝夕は本数が多く設定されている。新津駅 - 新潟駅間は区間列車も多数運行されており、日中は1時間に3本（約20分間隔）、朝・夕のピーク時には磐越西線直通列車も含めて約5分間隔で運行されている。新潟駅から白新線・越後線と直通運転する列車も存在する。
直江津駅 - 柏崎駅 - 長岡駅間はおおむね1 - 2時間に1本程度の運行である。長岡駅の南隣の宮内駅からは上越線が乗り入れ、全列車が長岡駅まで運転されるほか、一部は新潟方面まで直通する。直江津駅 - 犀潟駅間には北越急行ほくほく線から乗り入れる列車もあり、一部列車は黒井駅に停車する。また、朝には柏崎駅・柿崎駅からえちごトキめき鉄道妙高はねうまラインへの直通列車がえちごトキめき鉄道車両で運転されており、間合い運用として夜間に直江津駅 - 長岡駅間で信越線内のみの運用も行われている。
直江津駅 - 長岡駅間・新津駅 - 新潟駅間のE129系を使用する2両編成の列車では一部を除きワンマン運転が実施されている。無人駅となっている黒井駅・土底浜駅・潟町駅・上下浜駅・米山駅・笠島駅・青海川駅・鯨波駅・茨目駅・北条駅・越後広田駅・長鳥駅・塚山駅・越後岩塚駅・前川駅では先頭車両の一番前のドアのみが出口で運賃は車内精算となる。新津駅 - 新潟駅間は全駅が有人駅のためすべてのドアより乗降できるが、営業時間外の乗降・精算は無人駅に準じる。
過去の運行形態
特急「白鳥」や、寝台特急「日本海」、急行「きたぐに」など、かつては日本海縦貫線を長距離運行する列車が多数設定されていたが、廃止や列車の系統分割などによって徐々に縮小され、最後まで残存した特急「北越」（金沢 - 新潟）、寝台特急「トワイライトエクスプレス」（大阪 - 札幌）についても、2015年（平成27年）3月13日に運行を終了した。
また、同区間では特急「とき」をはじめとする首都圏から上越線経由で信越本線に入り、下越・東北・北陸地方へ直通する列車も設定されていたが、上越新幹線開業後は対首都圏間の輸送のメインを新幹線に譲っており、首都圏対北陸地方間についてはさらに北陸新幹線へ遷移した。
夜行列車についても2010年（平成22年）3月12日の始発駅発車分をもって寝台特急「北陸」が廃止、急行「能登」が定期運行を終了、2014年（平成26年）3月14日の始発駅発車分をもって寝台特急「あけぼの」が定期運行を終了している。夜行の快速「ムーンライトえちご」も 2014年（平成26年）6月以降は列車が設定されていない。
貨物輸送
2015年（平成27年）3月改正時点での貨物列車の運行区間は、高崎駅 - 安中駅間、篠ノ井駅 - 長野駅間、直江津駅 - 越後石山駅 - 新潟貨物ターミナル駅間、上沼垂信号場 - 焼島駅間に分けられる。
高崎駅 - 安中駅間には、福島臨海鉄道小名浜駅との間での鉱石輸送用の高速貨物列車が、1日1往復運行されている。
篠ノ井駅 - 長野駅間には、コンテナ車による北しなの線北長野駅への高速貨物列車が、平日に1日2往復運行されている。それぞれ、首都圏発着、中京圏発着となっており、前者は隅田川駅発着、後者は名古屋貨物ターミナル駅発・稲沢駅着である。
直江津駅 - 越後石山駅 - 新潟貨物ターミナル駅間は、前述のように日本海縦貫線の一部を成しており、貨物輸送が盛んである。当該区間の大半の貨物列車は、EF510形電気機関車が牽引するコンテナ車で編成された高速貨物列車である。当該区間のコンテナ取り扱い駅は、黒井駅、柏崎オフレールステーション (ORS)、南長岡駅、新潟貨物ターミナル駅である。
上沼垂信号場 - 焼島駅間は、コンテナ車による高速貨物列車が、平日に1日2往復運行されている。どちらも上沼垂信号場から白新線経由で新潟貨物ターミナル駅に乗り入れ、うち上り1本は首都圏の隅田川駅まで運行される。詳細は焼島駅の項も参照のこと。
歴史
高崎駅 - 直江津駅間は国（官設鉄道）によって開業した区間である。このうち高崎駅 - 軽井沢駅間は東京と大阪とを結ぶ「中山道幹線」の一部として建設されたものであり、軽井沢駅 - 直江津駅間はその資材運搬のために建設されたものであった。
碓氷峠を挟む横川駅 - 軽井沢駅間は、難所のため工事が遅れた。この区間が開業する前の5年間は、先行して開業していた碓氷馬車鉄道という馬鉄でこの区間を連絡していたこともあった。
日本海沿いの直江津駅 - 新潟駅（旧駅）間は私鉄の北越鉄道によって開業した。北越鉄道は1907年（明治40年）に国有化された。
貨物支線の上沼垂信号場 - 東新潟港駅 - 大形駅（廃止）間は新潟臨港開発（現在のリンコーコーポレーション）によって開業した。新潟臨港開発線は1941年（昭和16年）に国有化された。
新潟県中越地震
2004年（平成16年）10月23日に発生した新潟県中越地震では柏崎駅 - 長岡駅間が大規模な損害を受け、この区間を通る全列車が運休していたが、同年11月29日に全線が復旧した。
廃止区間の現状
廃止された横川駅 - 軽井沢駅間は、ジェイアールバス関東によるバス輸送が行われている。信越本線の同区間が廃止されたため、群馬県と長野県の鉄道での県境越えは普通列車がなく、特急料金が必要な北陸新幹線（高崎駅 - 安中榛名駅 - 軽井沢駅）のみとなっている。
横川駅 - 軽井沢駅間は一部の区間が遊歩道「アプトの道」として整備されている。また、安中市松井田町の財団法人・碓氷峠交流記念財団により、同駅間の廃線跡で、同財団の運営する「碓氷峠鉄道文化むら」の園内遊具として、「ぶんかむら駅 - まるやま駅 - とうげのゆ駅」においてトロッコ列車を運転している。現在、同財団と安中市は国土交通省と協議を行い、同財団を鉄道事業法における特定目的鉄道の正規鉄道事業者に昇格させ、同駅間の廃線を復活させる計画がある。2006年（平成18年）10月に鉄道事業法の認可を目指し、早ければ2007年（平成19年）10月の開業とJR横川駅への乗り入れを目標としていたが、計画は凍結状態にあり、認可・開業時期とも未定となっている。
群馬・長野県境をつないでいた廃トンネルは安中市が所有している。2017年（平成29年）、北朝鮮が弾道ミサイル発射実験を繰り返していることを受けて、軽井沢町は安中市と覚書を結び、有事の際にはこの廃トンネルを町民・観光客の避難シェルターとする方針を決めた。