東北新幹線
概要
東北新幹線のうち東京都 - 盛岡市の区間は1971年（昭和46年）1月に全国新幹線鉄道整備法第4条第1項の規定による『建設を開始すべき新幹線鉄道の路線を定める基本計画』により公示された3路線のうちの一つである。同年4月に整備計画が決定され着工された。日本国有鉄道（国鉄）によって建設され、1982年（昭和57年）に大宮駅 - 盛岡駅間が開業し、1985年（昭和60年）3月には上野駅 - 大宮駅間が開業した。国鉄分割民営化後、東北新幹線は東日本旅客鉄道（JR東日本）の路線となり1991年（平成3年）6月に東京駅 - 上野駅間が開業した。
一方、盛岡市 - 青森市の区間は1972年（昭和47年）に、全国新幹線鉄道整備法第4条第1項の規定による『建設を開始すべき新幹線鉄道の路線を定める基本計画』により公示され、1973年（昭和48年）11月に整備計画が決定された5路線（いわゆる整備新幹線）の路線の一つである。国鉄の財政悪化により建設が一時凍結されたが、1991年（平成3年）に沼宮内 - 八戸間が標準軌新線（フル規格）、盛岡 - 沼宮内間および八戸 - 青森間が新幹線鉄道直通線（ミニ新幹線）として、国や自治体の公共事業として着工された。その後、全区間がフル規格で建設され、2002年（平成14年）12月に盛岡駅 - 八戸駅間が開業し、2010年（平成22年）12月に八戸駅 - 新青森駅間が開業した。これにより東北新幹線は整備計画の決定から39年を経て全線開業となった。2016年3月以降は、北海道新幹線との直通運転も実施されている。
全区間が東日本旅客鉄道（JR東日本）により運営されているが、整備新幹線として建設された区間は鉄道建設・運輸施設整備支援機構が鉄道施設を建設・保有している。
日本最長の鉄道路線（営業キロ713.7km、実キロ674.9km）であり、線内の白石蔵王駅 - 仙台駅間にある 25.7km の直線区間は、日本最長の線路の直線区間である。
ラインカラーは緑（■）。
駅名標
東北新幹線では、上越新幹線と同様に、開業時には在来線とほぼ同様の様式の駅名標が設置されていたが、JR東日本発足後に順次同社標準の駅名標に交換されている。
なお、東海道新幹線や山陽新幹線ではそれぞれに独自仕様の駅名標が設置されていたが（前者は1970年代中頃に、後者は国鉄末期より順次交換されたため、現存していない）、東北新幹線および上越新幹線では独自仕様の駅名標を採用しなかった。
運行形態
東京から仙台・盛岡・新青森および北海道新幹線の新函館北斗方面にはおおむね1時間に1本の割合で運転されており、さらに那須塩原・郡山・仙台方面への区間列車が運転されている。停車駅に関してもおおむね固定されているが、時間帯によっては停車駅が増えたり減ったりする列車もある。全列車が東京駅を4の倍数の「分」に発車し、到着列車も1本をのぞいて4の倍数の「分」に到着する。
列車の概要
開業当初は東海道・山陽新幹線にならって、「ひかり」に相当する速達タイプを「やまびこ」、「こだま」に相当する各駅停車タイプを「あおば」としていた。
しかし、東北・上越両新幹線の列車名を運行区間別とする愛称の再編が行われ、まず1995年12月1日のダイヤ改正からは「あおば」のうち東京駅 - 那須塩原駅間の近距離列車を「なすの」として分離。また1997年3月22日の秋田新幹線開業時のダイヤ改正からは仙台駅 - 盛岡駅間の「あおば」は秋田新幹線「こまち」と併結されることになり、東北新幹線内は従来通り各駅停車で運転されるものの「やまびこ」に統合。そして秋田新幹線開業半年後の10月1日のダイヤ改正からは東京駅 - 仙台駅間の「あおば」が「やまびこ」に統合され、「あおば」の愛称は消滅した。
その後2002年12月1日の盛岡駅 - 八戸駅間延長開業時のダイヤ改正からは主に東京駅 - 八戸駅間を運行する最速達列車として「はやて」が新設され、八戸駅 - 新青森駅間延伸開業後の2011年3月5日からは「はやて」に代わる東京駅 - 新青森駅間の最速達列車として「はやぶさ」が新設された。現在はE5系の増備により「はやて」のほとんどが「はやぶさ」に置き換えられたが、盛岡駅以北のみを運行する区間列車についてはE5系であっても「はやて」の名称を用いている（「はやぶさ」は最高速度300 km/h以上で運行される列車にのみ用いるとされているが、盛岡駅以北は全て最高速度が260km/hの整備新幹線区間に当たるため）。
このように現在はおおむね行き先別に列車愛称が付されているが、東京駅 - 仙台駅の区間では最速達が「はやぶさ」、速達が「はやて」、準速達が「やまびこ」、各駅停車が「なすの」というように速度別の要素も含まれている。
「はやぶさ」
「はやぶさ」は、主に東京駅 - 新青森駅・新函館北斗駅間で運行される東北新幹線最速達列車。使用車両はE5系・H5系。全車指定席。
2011年3月5日に運行開始。大宮駅 - 宇都宮駅間の最高速度は従前の240km/hから275km/hに、宇都宮駅 - 盛岡駅間ではE2系「はやて」・「やまびこ」の275km/hから300km/hへ引き上げられ、東京駅 - 新青森駅間を最短3時間10分で結んだ。
その後、2013年3月16日のダイヤ改正からは宇都宮駅 - 盛岡駅間の最高速度をさらに320km/hまで引き上げ、東京駅 - 新青森駅間の所要時間は最短2時間59分となり、初めて3時間を切った。速度向上の詳細は沿革を参照。
特急料金は「はやて」・「やまびこ」よりも最大で510円（東京駅・上野駅・大宮駅 - 盛岡駅 - 新青森駅間各駅の場合）上乗せされる設定であり、理由としてJR東日本では増額分を「高速性や快適な居住性の付加価値分」と説明している。
北海道新幹線開業前は、仙台駅 - 新青森駅間運行の1往復のみ普通車自由席が設定されていたが、2016年3月26日の北海道新幹線開業後は、これを延長した仙台駅 - 新函館北斗駅間運行の1往復も含め全列車が全車指定席となった。
現在は、最高速度300 km/h以上で運行する区間を含み、かつ大宮駅 - 仙台駅間ノンストップの列車（仙台駅以北のみ運行する列車の場合は盛岡駅以北に乗り入れる列車）に「はやぶさ」の愛称が用いられている。
「はやて」
「はやて」は、主に東京駅 - 盛岡駅間と、盛岡駅・新青森駅 - 新函館北斗駅間で運行される速達列車。全車指定席。使用車両はE2系・E5系。
2002年12月1日の盛岡駅 - 八戸駅間延伸開業と同時に運行開始。大宮駅・仙台駅・盛岡駅・八戸駅には全列車が停車する。仙台駅 - 盛岡駅 - 新青森駅間では時間帯などに応じて列車ごとに停車駅が追加設定される。2009年3月13日までは、大宮駅も通過する仙台駅 - 東京駅間ノンストップ運転の列車が上り1本のみ運転されていた。2014年3月14日までは東京駅 - 仙台駅・盛岡駅間で秋田新幹線「こまち」（E3系およびE6系。東京駅 - 秋田駅間）を併結した16 - 17両編成で運転されていた（一部の盛岡駅発着列車は「はやて」単独の10両編成で運転）。
北海道新幹線開業前は、盛岡駅 - 新青森駅間の各駅に停車する区間列車も存在し、こちらには普通車自由席が設定されていた。「はやぶさ」運転開始後、盛岡行「やまびこ」の本数が減少したことを受け、仙台駅 - 盛岡駅間では、この区間の途中駅に停車する列車でかつこの区間内を利用する場合に限り、自由席特急券で普通車を利用できるようになった（これは「はやぶさ」にも共通の措置）。2016年3月26日の北海道新幹線開業後は、盛岡駅・新青森駅 - 新函館北斗駅間の列車には、自由席は設定されなくなり、全列車が全車指定席となった。
現在は、最高速度300 km/h以上で運行する区間が存在せず、かつ大宮駅 - 仙台駅間ノンストップの列車（仙台駅以北のみ運行する列車の場合は盛岡駅以北に乗り入れる列車）に「はやて」の愛称が用いられている。
2019年3月16日のダイヤ改正で東京駅 - 盛岡駅間の定期列車の設定が無くなった。
「やまびこ」
「やまびこ」は、東京駅 - 仙台駅・盛岡駅間で運行され、主に上野駅・大宮駅・宇都宮駅・郡山駅・福島駅と仙台駅 - 盛岡駅の各駅に停車する準速達列車。使用車両はE2系（東京駅 - 仙台駅間）・E5系・H5系。また、一部列車には増結車としてE3系・E6系が併結される。
東京駅 - 仙台駅間の「やまびこ」は、東京駅 - 福島駅間で山形新幹線「つばさ」（東京駅 - 山形駅・新庄駅間）を併結し、日中を中心に白石蔵王駅にも停車する列車と、各駅停車（朝夕）または白石蔵王駅のみ通過する列車（主に日中）などがある。早朝および深夜には、那須塩原駅・郡山駅 - 仙台駅間および仙台駅 - 盛岡駅間の各駅停車区間列車も運行されている。
現在は、原則として郡山駅以北に乗り入れ、大宮駅 - 仙台駅間を走行する列車の場合は同区間がノンストップではない列車に「やまびこ」の愛称が用いられている。ただし、臨時列車で毎週金曜日（休日と重なる場合はその休前日）のみ運行される「やまびこ249号」は大宮駅 - 仙台駅間をノンストップ運転する。
「なすの」
「なすの」は、東京駅 - 那須塩原駅・郡山駅間で運行される各駅停車列車。朝の上り252号のみ小山駅→東京駅間で運行される。使用車両はE2系・E5系。また、一部列車には増結車としてE3系・E6系が併結される。
主に朝夕の栃木県 - 東京都心間の旅客需要に対応する列車で、日中は「やまびこ」とともに東京駅 - 宇都宮駅間利用客の着席機会を増すことを副次的な目的とする。運転開始当初は那須塩原以南のみでの運行であったが、秋田新幹線開業に伴う速達タイプの増加による新白河駅・郡山駅停車列車の減少を補う形で、運行区間が郡山駅まで延長された。これにより「やまびこ」との乗り継ぎが若干改善された。朝夕は土曜日・休日運休となる列車がある。
現在は、郡山駅以南のみの各駅停車の列車に「なすの」の愛称が用いられている。
「つばさ」
「つばさ」は、山形新幹線直通（東京駅 - 福島駅間は「やまびこ」に併結。定期列車の121・160号と、臨時列車の一部は全区間単独運転）。使用車両はE3系（1000・2000番台）、東北新幹線内の最高速度は275km/h。
「こまち」
「こまち」は、秋田新幹線直通（東京駅 - 盛岡駅間は「はやぶさ」に併結）。全車指定席。使用車両はE6系、東北新幹線内の最高速度は320km/h。
E6系を使う列車は営業運転開始当初「スーパーこまち」を名乗っていた。これは、秋田新幹線車両のE3系からE6系への置き換えが完了するまでの約1年間、両者の区別をするための過渡的なものであり、最高速度は300km/hとなっていた。2014年3月15日のダイヤ改正でE6系への置き換えが完了した後は「こまち」へ統一され、最高速度も320km/hに引き上げられた。
「あおば」・「Maxあおば」
「あおば」は、1982年6月の大宮暫定開業時に、速達タイプの盛岡発着「やまびこ」に対して各駅停車タイプの仙台駅発着列車として登場した。大宮駅 - 盛岡駅間暫定開業時は1日6往復だったが、上越新幹線が開業した同年11月には1日12往復に増発され、大宮駅 - 那須塩原駅間や那須塩原駅 - 仙台駅・盛岡駅間、仙台駅 - 盛岡駅間などの区間列車も登場した。その後増発され、1985年の上野駅 - 大宮駅間延伸開業時に上野駅発着、1991年の東京駅 - 上野駅間延伸開業時に東京駅発着となり、1992年の山形新幹線開業時点では定期列車下り1本と臨時列車が上野駅発着となっている。1994年に2階建車両E1系の導入により、「Maxあおば」が登場した。しかし、1995年に東京駅 - 那須塩原駅間の列車が「なすの」・「Maxなすの」が変更され、「あおば」「Maxあおば」は削減。1997年10月、仙台駅発着の列車は速達タイプ・各駅タイプ問わずに「やまびこ」となり、「あおば」が消滅して全て「やまびこ」・「なすの」に置き換えられた。
「Maxやまびこ」・「Maxなすの」
2階建車両のE1系・E4系を使用する列車に使われていた愛称。2012年9月29日ダイヤ改正で廃止され、E2系などを使用する「やまびこ」・「なすの」のみとなった。
事業用車両
編成記号の「S」は、系列に関係なく非営業用車両全般に用いられている。400系などの量産先行車も営業運転開始まで「S」を付けていた。
E926形（East i）- 新在直通対応
首都圏 - 青森
首都圏 - 青森県間の公共交通機関分担率の変化は、盛岡以北開業前の2000年度は、航空が54%と最も多く、JR（定期外）39%、乗合バス7%であったが、盛岡 - 八戸間開業後の2003年度は、JR（定期外）63%、航空31%、乗合バス5%と鉄道と航空の分担率が逆転し、全線開業後の2012年度は、JR（定期外）78%、航空21%、乗合バス2%と鉄道がさらに増加した。
首都圏 - 青森県間の運行本数の変化は、盛岡以北開業前の2000年は、航空（羽田 - 青森）8本、航空（羽田 - 三沢）4本、鉄道13本、高速バス1本であったが、2003年には鉄道が15本に増加、航空は青森便8本、三沢便3本に減少し、高速バス1本と横ばいで、翌2004年に青森便は6本に減少している。2012年は鉄道が17本に増加し、航空は青森便6本、三沢便3本を維持しており、高速バスは7本に増加した。航空座席数は2000年では青森便が150万席、三沢便が76万席であったが、東北新幹線320 km/h運転開始後の2014年には青森便で72万席、三沢便で28万席と大きく減少している。
宮城 - 青森
宮城県 - 青森県間の公共交通機関分担率の変化は、盛岡以北開業前の2000年度は、JR（定期外）79%、乗合バス21%であったが、盛岡 - 八戸間開業後の2003年度は、JR（定期外）78%、乗合バス22%と横ばいで、全線開業後の2012年度は、JR（定期外）90%、乗合バス10%と鉄道が増加した。
岩手 - 青森
岩手県 - 青森県間の公共交通機関分担率の変化は、盛岡以北開業前の2000年度は、JR（定期外）60%、乗合バス40%であったが、盛岡 - 八戸間開業後の2003年度は、JR（定期外）65%、乗合バス35%と鉄道が微増し、全線開業後の2012年度は、JR（定期外）85%、乗合バス15%と鉄道がさらに増加した。
並行在来線
整備新幹線として建設された区間では、新幹線開業後に並行在来線のJRからの経営分離が行われた。2002年の盛岡駅 - 八戸駅間開業時に、東北本線 盛岡駅 - 八戸駅間が、2010年の八戸駅 - 新青森駅間開業時に東北本線 八戸駅 - 青森駅間が県域ごとに設立された第三セクター鉄道会社に経営移管された。岩手県内の盛岡駅 - 目時駅間はIGRいわて銀河鉄道がいわて銀河鉄道線として運行している。青森県内の目時駅 - 青森駅間は青森県が第三種鉄道事業者として鉄道施設を保有し、青い森鉄道が第二種鉄道事業者として青い森鉄道線として運行している。
車内設備
全列車に普通車とグリーン車を連結するほか、E5系・H5系を使用する列車（「はやぶさ」全列車と、「はやて」・「やまびこ」・「なすの」の一部列車）には、より上位のグレードである「グランクラス」車両も連結する。
なお、JR東日本は2007年3月のダイヤ改正以降、東北・上越・山形・秋田の各新幹線および在来線特急列車の全てを禁煙車とし、喫煙ルームなども設けていないため、車内での喫煙はできない。
冬季対策設備
東海道新幹線は開業4か月目で雪害の影響により列車の定時運行ができなくなった。そのため、寒冷・豪雪地帯を通過する東北・上越新幹線では10年に1度の積雪量に対しても正常に運行することを目的に「新幹線雪害対策委員会」が設立され、その成果が実際の雪害対策に反映された。東北・上越新幹線では10年以上かけて沿線の気象調査や技術開発が行われ、沿線の状況に合わせた雪害対策が取られた。東北新幹線沿線は上越新幹線に比べて降雪量は少ないものの、12月から3月の平均気温が0℃未満であることから、年最大積雪深が30cm以上となる一ノ関 - 盛岡間に貯雪型高架橋が採用された。貯雪式高架橋は、高架橋の軌道面をかさ上げすることで生じた空間に、新幹線車両のスノープラウによって排雪された線路上の雪をためることが可能な構造になっている。
貯雪型高架橋は盛岡 - 八戸間でも採用されている。
積雪量が多いがバラスト軌道である北上駅付近および第2北上川橋梁附近の延長3.0kmは、貯雪能力が不足するため、散水消雪設備が設けられている。また、八戸 - 新青森間は寒冷・多雪地帯であるため、上越新幹線で実績のあるスプリンクラーによる散水消雪方式の採用が検討され、2008年度に青森市内に船岡試験場として300mの高架橋を建設し、散水消雪試験が行われた。試験で得られた結果をもとに、七戸十和田 - 新青森間で散水消雪システムが導入された。また、七戸十和田駅付近では予想される最大積雪深が貯雪能力を上回るため、貯雪量を拡大したポケット式貯雪型高架橋や高架橋内の降雪を減らすための雪覆いを設けた半雪覆式貯雪型高架橋が新幹線として初めて採用された。
分岐器においては雪による転換不良を防止するため、電気温風式融雪装置を設置するとともに、列車からの落雪や持込雪の対策として温水ジェット式の急速除雪装置が設置されている。
地震対策
東北新幹線沿線では太平洋沖での地震発生が多いことから、地震をいち早く感知して列車を停止させるため、沿線に約20km間隔で設置された地震計を用いた沿線検知システムに加えて、海岸線に約80km間隔で設置された地震計を用いた「海岸線検知システム」が導入された。1982年の開業当時は初期微動を引き起こすP波を用いた警報が実用段階ではなかったため、主要動を引き起こすS波の加速度の大きさを基準とした警報が導入された。地震計が設置されている場所の加速度が設定値以上になると警報が発せられ、予め決められた警報範囲で変電所からのき電を停止し、列車の非常ブレーキが作動することで列車防護を行うものであった。
1975年から国鉄において、P波から地震の規模や位置を推定するアルゴリズム（早期検知アルゴリズム）の研究が行われ、世界初のP波警報システムである「ユレダス (Urgent Earthquake Dtetection and Alarm System)」の開発が進められた。ユレダスは1992年に東海道新幹線で導入が開始され、1998年には東北新幹線においても導入された。ユレダス導入によってP波およびS波の2種類の警報判定が可能になり、S波到達より早く新幹線の停止信号を送ることが可能になった。
その後、最新の観測技術や高速ネットワークに対応し、早期探知アルゴリズムを改良した「早期地震防災システム」が開発された。
2004年に発生した新潟県中越地震による上越新幹線脱線事故をうけて、新幹線車両が地震などにより脱線した場合でも、車両がレールから大きく逸脱することを防止する「車両逸脱防止L型ガイド」を開発し、2008年度上期までにすべての新幹線車両に設置を完了した。さらにレールの転倒や大幅な移動を防ぎ、L型車両ガイドが有効に機能するよう、スラブ軌道用やバラスト軌道用などの「レール転倒防止装置」を開発し、敷設工事が進められている。
JR東日本は早期地震検知体制のさらなる強化を図るため、防災科学技術研究所が整備を行っている「日本海溝海底地震津波観測網（S-net）」の地震観測データを新幹線早期地震検知システムに導入することを進めており、2017年11月より房総沖、2019年1月25日より茨城・福島沖から釧路・青森沖にかけての海底地震計情報が導入された。これにより、従来の検知体制と比較して最大で約20秒程度の検知時間の短縮が図られるとしている。
整備計画決定まで
1969年（昭和44年）5月30日に「新全国総合開発計画」が閣議決定された。この中で主要開発事業の構想として「東北新幹線鉄道の建設を早急に行なうとともに」と、現在の東北新幹線に相当する新幹線鉄道の建設構想が盛り込まれた。
1970年（昭和45年）に全国新幹線鉄道整備法（以下は全幹法と略記）が公布された。この法律により、逼迫する幹線の輸送力増強を目的とした東海道・山陽新幹線とは異なり、経済発展や地域の振興を目的とした新幹線の建設が行われるようになった。1971年（昭和46年）1月に全幹法第5条第1項の規定による「建設を開始すべき新幹線鉄道の路線を定める基本計画」（昭和46年告示第17号）により東北新幹線（東京都 - 盛岡市）、上越新幹線（東京都 - 新潟市）、成田新幹線（東京都 - 成田市）の基本計画が公示された 。この基本計画において東北新幹線（東京都 - 盛岡市）は東京都を起点に宇都宮市附近、仙台市附近を主要な経過地として盛岡市を終点とすることが示された。同年4月1日に3路線の整備計画が決定された。東北新幹線は最高設計速度260km/h、建設主体は日本国有鉄道（国鉄）とされた。
1972年（昭和47年）6月に、新たに4路線の基本計画が決定され、7月3日に昭和47年告示第242号によって東北新幹線（東京都 - 青森市）に基本計画が改正された。この基本計画において東北新幹線は東京都を起点に宇都宮市附近、仙台市附近、盛岡市を主要な経過地として青森市を終点とすることが示された。
翌年の1973年（昭和48年）11月には北海道新幹線（青森市 - 札幌市）、東北新幹線（盛岡市 - 青森市）、北陸新幹線（東京都 - 大阪市）、九州新幹線（福岡市 - 鹿児島市）、九州新幹線（福岡市 - 長崎市）の5路線（いわゆる整備新幹線）の整備計画が決定された。東北新幹線は最高設計速度260km/h、主要な経過地として「八戸市附近」が示され、建設主体は日本国有鉄道とされた。
東京 - 盛岡間の建設・開業
1971年（昭和46年）10月12日に東京 - 盛岡間の工事実施計画（その1）の認可申請が行われ、10月に認可、11月に東北新幹線の工事に着手した。開業当初は最高速度210 km/h、12両編成の計画であるが、最高速度260km/h、大きな手戻りなく16両編成に対応できる建設基準であった。認可時点での計画は、東京駅については、東京駅在来第6、第７ホームを東北新幹線に転用し、2面4線の東海道新幹線ホームとあわせて4面8線の新幹線ホームとして、このうち5線を東北新幹線と東海道新幹線が直通可能な配線にする計画であった。東京駅を出た後は秋葉原駅付近で地下に入り、御徒町から上野公園の下を通って日暮里駅構内で再び地上に出て、京浜東北線沿いに赤羽まで北上し、北区浮間を経て荒川を渡り、荒川から大宮駅手前にかけては延長10.8kmの南埼玉トンネルを建設する計画であった。
盛岡 - 大宮間の暫定開業
認可時点での完成目標は1976年（昭和51年）度であったが、オイルショック後の経済悪化や国鉄の経営悪化などにより、1977年（昭和52年）には完成目標が1980年（昭和55年）度に、1981年（昭和56年）には完成目標が1986年（昭和61年）度に繰り下げられた。1978年（昭和53年）6月からは小山 - 宇都宮間の完成した新幹線線路約43kmを使用した試験走行が開始された。大宮以北の工事は順調に進められたが、大宮以南では地下ルートが技術的検討により高架ルートに変更され、同時に通勤新線（現在の埼京線）を併設するなど計画の変更がなされたことなどにより、工事が遅れていた。1980年（昭和55年）12月には東北・上越両新幹線の開業を1982年（昭和57年）春とし、仮の始終着駅を大宮駅とすること。大宮 - 上野間の開業を1984年（昭和59年）度とし、東京 - 上野間についても引き続いて完成に努力することが発表された。
1982年（昭和57年）6月22日に大宮駅 - 盛岡駅間が暫定開業した。大宮駅 - 上野駅間には新幹線リレー号が運行された。
東北・上越新幹線反対運動と大宮以南の開業遅延
東北・上越新幹線の建設が開始された1970年代前半は、名古屋新幹線訴訟をはじめ、先に開業していた東海道・山陽新幹線の騒音問題が社会問題化した時期にあたる。このような中で建設が開始された東北・上越新幹線の沿線では、東北地方を含めた各地で騒音を懸念しての反対運動が展開された。特に都市化の進展しつつあった大宮以南の区間では、当初の工事実施計画では地下方式（南埼玉トンネル）での建設が予定されていた荒川北岸 - 大宮駅南側の区間が、後に高架方式へと変更されたこととも相まって、東京都北区、埼玉県戸田市・浦和市・与野市での反対運動は、激化・長期化することとなった（特にトンネルで真下を通過することになった星美学園はそのシンボルとなった）。工事用地内への居座り・デモ行進・地元説明会打切りなどの妨害行為がなされ、開業時期の遅れや事業費の肥大化の大きな原因となった。詳細は「東北・上越新幹線反対運動」、および「埼京線#当時の沿線住民の反対運動」を参照。
なお、地下方式から高架方式への転換にあたっては、同時に赤羽駅 - 大宮駅間に並行する通勤新線（埼京線）を同時に建設することが国鉄側から提案された。また、建設ルートがカーブの多い線形へと変更され、最高速度が110km/hに制限されることになった。
このような理由により、東京駅 - 大宮駅間は新幹線でも約25分（上野通過の列車は約23分）かかり、並行する在来線の所要時間と大差がない。この区間では最高速度引き上げに向けた工事が行われている。詳細は今後の予定を参照。
1983年（昭和58年）8月には国鉄再建監理委員会の緊急提言により安全対策上やむを得ない工事に限って施工するとした方針が示され、工事は停滞した。
上野延伸と240km/h化
1971年（昭和46年）10月の認可時点では、東北新幹線は東京駅在来第6、第７ホームを東北新幹線に転用し、秋葉原駅付近で地下に入り、御徒町から上野公園の下を通って日暮里駅構内で再び地上に出るルートが計画されており、上野に駅を設置する計画は存在しなかった。しかし、東海道新幹線の利用客増加に伴う東京駅の容量不足により、第7ホームは東海道新幹線に転用された。これを補完するために上野駅を設置する工事実施計画の変更が行われ、1977年（昭和52年）12月に東京 - 盛岡間工事計画変更その2が認可された。東北新幹線の上野駅は深さ約30mの地下4階に設けられ、2面4線で折り返し可能な構造で設計された。
1983年（昭和58年）3月の役員会において、上野開業時に東北新幹線の運転速度を230km/h程度とする申し合わせが行われた。その後約1年間大宮 - 盛岡間で行われた約27.6万kmにおよぶ240km/h走行耐久試験の結果を踏まえて、1984年（昭和59年）11月に240km/hの営業運転が決定された 。
1985年（昭和60年）3月14日に上野駅 - 大宮駅間が開業し、最高速度240km/h運転を開始した。これにより、大宮駅での新幹線リレー号への乗り換えが不要になり、上野駅 - 盛岡駅間の所要時間は最短で2時間45分に短縮された。
国鉄民営化と東京延伸
1987年（昭和62年）4月1日の国鉄分割民営化に伴い、東京 - 盛岡間の東北新幹線の鉄道施設の保有及び東京 - 上野間の建設は新幹線鉄道保有機構に移管された。東日本旅客鉄道（JR東日本）は新幹線鉄道保有機構にリース料を支払い、鉄道施設を借り受けて運営していた。また、東京 - 上野間の実際の工事は新幹線鉄道保有機構からの委託契約によりJR東日本により施工された。
都心部を通過するルートであり用地買収を極力抑えるため、上野 - 東京間のルートは複雑になっている。東京駅では、第6ホームを東北新幹線に転用し、将来的に東海道新幹線と直通運転可能な構造とした。東京駅を出て、呉服橋から竜閑橋の間は都道407号線（江戸通り）の中央分離帯に橋脚を設置し、道路の上空半分に高架橋を建設、神田駅付近では在来線高架橋を取り壊したうえで新幹線高架橋を建設した。この高架橋は新幹線高架橋の上に在来線高架橋を継ぎ足す重層化を考慮した設計がされており 、在来線部分は2015年3月に上野東京ラインとして開業している。秋葉原駅付近からは25‰勾配で下り、地下の上野駅へ向かうが、この区間にある第1上野トンネルでは1990年（平成2年）1月にシールド工法区間（御徒町トンネル）の建設中に陥没事故が発生している。
1991年（平成3年）6月20日に東京駅 - 上野駅間が開業した。東北・上越新幹線で東京駅へ向かう場合の在来線乗り換えが不要となったことにより、所要時間は東京駅 - 仙台駅間で2時間6分から22分短縮されて1時間44分、東京駅 - 盛岡駅間では2時間56分から20分短縮されて2時間36分、東京駅 - 青森駅間では21分短縮されて4時間54分となった。同年10月に新幹線鉄道保有機構は解散し、東北新幹線 東京 - 盛岡間の鉄道施設はJR東日本に有償で譲渡された。
直通運転の増加と275km/h化
1988年（昭和63年）8月から奥羽本線 福島駅 - 山形駅間を狭軌（1067mm）から新幹線車両が直通可能な標準軌（1435mm）に改軌する工事が行われ、1992年（平成4年）7月1日に山形新幹線「つばさ」として東北新幹線との直通運転を開始した。山形新幹線開業に合わせて新幹線と在来線の双方の規格に対応した400系が導入された。
1995年から1997年10月1日の北陸新幹線開業時のダイヤ改正に至るまで、運行体系の見直しによるダイヤ改正が行われた。東北新幹線では開業以来、速達タイプ「やまびこ」と各駅停車タイプ「あおば」という列車愛称であった。しかし、「あおば」に比べて「やまびこ」の乗車率が高く、仙台や盛岡などの長距離利用客が指定席を取りづらくなっていることや、東京 - 宇都宮間などの近距離需要の増大に伴い、運行体系の見直しが行われた。1995年12月のダイヤ改正では、運行区間を基本とした列車愛称に変更され、近距離需要向けに東京 - 那須塩原間に「なすの」を新設し、遠距離需要を主とする「やまびこ」の停車駅を削減した。
1992年（平成4年）3月から田沢湖線 盛岡駅 - 大曲駅間においても同様の改軌工事が、奥羽本線 大曲駅 - 秋田駅間においては狭軌と標準軌の単線並列化工事が行われ、1997年（平成9年）3月22日に秋田新幹線「こまち」として東北新幹線との直通運転を開始した。新たな新在直通対応車両として、在来線区間で最高速度130km/h、新幹線区間において最高速度275km/hで走行可能なE3系が導入された。秋田新幹線開業に合わせて「こまち」と併結する「やまびこ」のうち最速タイプの3往復については、宇都宮 - 盛岡間で最高速度275km/hで走行可能なE2系が導入された。これにより、所要時間は東京駅 - 盛岡駅間で2時間36分から15分短縮されて最速2時間21分、東京駅 - 秋田駅間で開業前の4時間37分から48分短縮されて3時間49分となった。同年10月1日に北陸新幹線 高崎駅 - 長野駅間が開業した。北陸新幹線の乗り入れ開始に伴い、東京駅のJR東日本の新幹線ホームが1面2線から2面4線に増設された。東北新幹線では列車名の見直しが行われ、東京 - 那須塩原間「なすの」、東京 - 仙台・盛岡間「やまびこ」に統一され、「あおば」は列車愛称としては廃止された。
全区間フル規格化
1994年（平成6年）12月の連立与党申合せにより、盛岡 - 沼宮内間を標準軌新線（フル規格）で建設すること、八戸 - 青森間の新幹線鉄道直通線（ミニ新幹線）計画を取り下げることが決定された。前述の合意を踏まえて、1995年（平成7年）4月に盛岡 - 沼宮内間の工事実施計画（フル規格）が認可され、盛岡 - 八戸間の全区間が標準軌新線によるフル規格で建設されることになった。
1996年（平成8年）12月25日の「整備新幹線の取扱いについて　政府与党合意」では東北新幹線の新規着工区間として八戸 - 新青森（石江）間の標準軌新線（フル規格）が示された。平成8年の合意に基づいて、1998年（平成10年）1月に「政府・与党整備新幹線検討委員会における検討結果」が公表され、従来の整備新幹線計画が維持されていることを確認したうえで新規着工区間の優先順位が示され（1）東北新幹線 八戸 - 新青森間、九州新幹線（鹿児島ルート）船小屋 - 新八代間、（2）北陸新幹線 長野 - 上越間とされた。同年3月に八戸 - 新青森間の工事実施計画（フル規格）が認可された。
2000年（平成12年）12月18日の「整備新幹線の取扱いについて」政府・与党申合せにおいて、東北新幹線 盛岡 - 八戸間については「平成14年末の完成を目指す」とされた。八戸 - 新青森間については「今後概ね12年後の完成を目指す」とされた。
2002年（平成14年）12月1日に盛岡駅 - 八戸駅間が開業した。また、新たな最速達列車として「はやて」の運行を開始した。これにより、所要時間は東京駅 - 八戸駅間では37分短縮されて2時間56分、東京駅 - 青森駅間では28分短縮されて3時間59分（在来線乗り換え時間を含む）となった。
2003年（平成15年）10月1日に鉄道建設・運輸施設整備支援機構が設立され、日本鉄道建設公団は解散した。これにより東北新幹線（盛岡 - 新青森間）の建設・貸付け業務は機構に引き継がれた。
2004年（平成16年）12月16日の「整備新幹線の取扱いについて」政府・与党申合せにおいて、東北新幹線 八戸 - 新青森間については「平成22年度末の開業を目指す」とされた。
2010年（平成22年）12月4日に八戸駅 - 新青森駅が開業し、東北新幹線は整備計画決定から39年の歳月を経て全線開通となった。これにより、東京駅 - 新青森駅間の所要時間は36分短縮されて3時間23分となった。
東日本大震災による被災と復旧
2011年3月11日14時46分に発生した東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）により、東北新幹線は大きな被害を受けた。地震発生時には仙台・盛岡支社管内で14本の列車（うち13本は営業列車）が運行していた。14時46分に管内の海底地震計が基準値を超える地震を感知し、仙台 - 古川間を約270km/hで走行していた2本の列車は、運転中止基準値18.0カインを超過する12 - 15秒前にき電停止により自動的に非常ブレーキが作動し、緊急停車した。。営業列車に脱線は生じなかったが、仙台駅構内を約72km/hで走行していた試7932B列車（E2系）の4両目の前台車2軸が脱線した。脱線原因としては東北地方太平洋沖地震の地震動のうち高架橋の固有振動数に近い振動が共振現象により増幅され、その振動が車両に上心ロールを生じさせたことが原因とされている。ただし、早期地震検知システムにより脱線直前に減速されていたことや、車両の逸脱防止ガイドが機能したことで、車両が軌道から大きく逸脱することはなかった（主要技術も参照）。駅間やトンネル内で停車した列車では、飲食物の配布等が行われたが、当日中に全ての対応を行うことは困難な状況であった。その後、バスで乗客を避難所まで輸送し、翌12日中には全ての乗客の救済が完了した。
乗客の救済が完了した区間から新幹線線路設備の点検を開始し、16日に完了した。落橋やトンネルの崩落はなかったが、仙台駅ホームの天井が落下するなど5つの駅が損傷し、電化柱の損傷が約540箇所、架線の切断が約470箇所、高架橋の橋脚損傷が約100箇所、線路の損傷が約20箇所など、合計で約1,200箇所に被害が生じた。新幹線総合車両センターが被災したことで検測車両( East i)が使用できないため、京浜急行電鉄の軌道検測車等を借用して軌道検測を実施した。仙台駅構内で停止直前に脱線した試7932B列車の撤去作業は3月24日に行われた。
設備の損傷の少なかった東京駅 - 那須塩原駅間は3月15日に運転を再開した。盛岡駅 - 新青森駅間は3月23日再開予定とされていたが、当初の見込みより1日早く3月22日に運転を再開した（22日は1日6.5往復、23日からは1日10往復）。
一ノ関駅 - 盛岡駅間は4月8日再開予定とされていたが、当初の見込みより1日早い4月7日に一部区間徐行運転により運転を再開した（上下各5本）。しかし、同日夜に起きた東北地方太平洋沖地震の余震とみられる強い地震により新たに約550か所の被害が生じた。
4月12日に那須塩原駅 - 福島駅間で一部区間徐行運転により運転を再開した。また、同日再開した東北本線 福島駅 - 仙台駅間で臨時快速列車「新幹線リレー号」を上下計16本運転し（4月24日まで）、首都圏 - 仙台間の鉄道輸送が再開された。4月25日に東京駅 - 仙台駅間で「はやて」「やまびこ」44往復運転により運転を再開した。また、東北本線 仙台駅 - 一ノ関駅で臨時快速列車6往復の運転を開始した。4月29日に東北新幹線は全線で運転を再開し、東京駅 - 仙台駅間で上下108本、東京駅 - 盛岡駅間で上下57本、東京駅 - 新青森駅間で上下29本を運行した。全線運転再開にあわせて「つなげよう、日本。」「がんばろう日本！　がんばろう東北！」のステッカーを貼って運転された。また、「はやぶさ」が東京駅 - 新青森駅間で1往復、東京駅 - 仙台駅で1往復運転され、グランクラス料金の一部は被災地復興支援の義援金として寄付された。
運転再開当日は仙台市地下鉄南北線の全線開通や、東北楽天ゴールデンイーグルス（Kスタ宮城・vsオリックス・バファローズ戦）・ベガルタ仙台（仙台スタジアム（ユアテックスタジアム仙台）・vs浦和レッズ戦）の本拠地初戦の開催と重なったことから、仙台市の市民ボランティアのTwitterでの呼びかけにより、九州新幹線開業CMを元に、通過する列車を沿線で手を振って迎えようというプロジェクトが企画され、当日は沿線で多くの人が列車に向かって手を振る様子が見られ、この模様がYouTubeやニコニコ動画などで配信された。
全線運転再開後も那須塩原駅 - 盛岡駅間では徐行運転による暫定ダイヤでの運転が継続されたが、7月29日に那須塩原駅 - 福島駅間および一ノ関駅 - 盛岡駅間で、9月23日には全区間で速度規制が解除され、約半年ぶりに震災前の所定ダイヤ（最高速度300km/h）での運転が可能になった。
300km/h以上の高速化
2005年6月からE954形 (FASTECH 360S)、2006年4月から新在直通対応のE955形 (FASTECH 360Z)による試験走行が開始され、地上設備と車両に関して様々な試験が行われた。その結果結果を踏まえて、2007年7月に東北新幹線320km/h化が決定された。
320km/h運転に向けて、地上設備では2008年度から2012年度にかけて対策工事が行われ、騒音対策として防音壁のかさ上げや騒音低減装置(NIDES)、側壁吸音板の設置、トンネル微気圧波対策として緩衝工の新設・延伸、コンクリート桁のたわみ低減対策、通過時の駅構造物への圧力変動対策として一ノ関駅、水沢江刺駅、新花巻駅で改修工事が行われた。車両面では320km/h運転が可能なE5系およびE5系と併結し320km/h走行が可能で新在直通車両であるE6系が開発された。
2011年3月5日のダイヤ改正では、E5系が導入され、JR東日本では初めての最高速度300km/h運転を行う「はやぶさ」3往復が運転を開始した。これにより東京駅 - 新青森駅間の所要時間は最高速度275km/hである「はやて」より最速達列車で10分短縮されて3時間10分となった。
2013年3月16日のダイヤ改正では、E5系単独編成の「はやぶさ」において国内最速となる最高速度320km/hでの運転、およびE5系とE6系の併結編成「はやぶさ・スーパーこまち」での最高速度300km/h運転を開始した。
2014年3月15日のダイヤ改正では秋田新幹線の車両が新型車両のE6系に統一されたことで「はやぶさ・こまち」の全ての併結編成において宇都宮駅 - 盛岡駅間の最高速度が320km/hに引き上げられた。これにより、東京駅 - 秋田駅間の所要時間は8分短縮されて最速で3時間37分、下り平均で12分短縮されて3時間47分となった。また、すべての「はやぶさ」が320km/h運転となったことで所要時間は東京駅 - 新青森駅間の下り平均で9分短縮されて3時間14分となった。
整備新幹線として建設された盛岡 - 新青森間の最高速度は1973年の整備計画に基づき260km/hとされているが、1993年以降に計画された整備新幹線では、施工後の変更が困難な緩和曲線と縦曲線について対応可能な範囲で360km/hで走行可能な線形を確保している。
今後の見通し
JR東日本はグループ経営ビジョン「変革2027」における「次世代新幹線開発」の試験車両としてE956形（ALFA-X）による試験走行を2019年5月から2022年3月にかけて行う。試験走行は仙台 - 新青森間を中心に行われ、車両性能試験のため数回程度最高速度400km/hの走行試験を行うほか、最高速度360km/hまでの走行が予定されている。
2018年5月16日に上野駅 - 大宮駅間のうち埼玉県内の区間の最高速度を将来的に現行の110km/hから最大130km/hに引き上げる事を発表した。2018年5月下旬から概ね2年程度をかけ、吸音板設置や防音壁かさ上げといった騒音対策等の地上設備の工事が行われる。これにより、最大1分程度の時間短縮が見込まれる。
盛岡駅 - 新青森駅間の整備新幹線区間での最高速度を260km/hから320km/hに引き上げる方針を明らかにした。盛岡以北で速度が引き上げられた場合、260km/hに制限されている全国の整備新幹線では初となる。
北海道・北陸新幹線の延伸・全通時における対応予定
今後、北海道・北陸の各新幹線が延伸・全通すればさらなる運行本数増加が予想され、大宮 - 東京間および東京駅の線路容量が逼迫するとして、大宮駅から新宿駅へ乗り入れる別線を建設すべきとの意見（上越新幹線の本来の起点は新宿とされており、その建設とも見なせる）や、上野・大宮駅発着の列車を増発するべきという意見、東京駅 - 高崎駅間で上越新幹線と北陸新幹線を併結運転させるという意見もある。現在、ピーク時の大宮駅 - 東京駅間の運行本数は開業時から年々増えており、この区間が運行上の大きなボトルネックになっている。
なお、新宿駅 - 大宮駅間の別線の件については、近い将来のレベルでの完成は現実的ではないことから、2008年11月27日に開催された民主党の「整備新幹線を推進する議員の会」において、JR東日本の担当者から2014年度の北陸新幹線金沢開業および、2015年度の北海道新幹線新函館北斗開業後におけるピーク時の輸送には、大宮始発着の列車を一部設定することにより輸送分散を図るという案が、JR東日本の見解として提示された。大宮駅の所在地であるさいたま市も、新幹線の大宮駅発着の設定による増発を2015年度から施政方針として掲げ、国に要望している。
JR東日本社長（当時）の冨田哲郎は、北陸新幹線を走る「かがやき」の増発を利用状況に応じて行う際、新幹線の乗り入れが集中する繁忙期には上野駅とともに大宮駅を発着とする臨時列車も選択肢に入るとしている。なお、東北新幹線では、2017年7月と9月に、初めて大宮駅始発・終着となる臨時「はやぶさ」が運行され、北陸新幹線では、2018年3月からは上野終着の臨時「かがやき」が運行されている。
東海道・山陽新幹線との直通運転
現時点では、東京駅で東海道新幹線と東北新幹線の線路が接続されていないため、東海道・山陽新幹線との直通運転は物理的にできない。
1970年2月、全国新幹線整備法の成立に先立って新幹線の建設・運行に関する調査と審議を行う「新幹線建設委員会」が設置され、1971年7月までの審議において東北・上越新幹線については東海道新幹線とターミナルを共用し、直通運転を図るべきとされた。後には直通運転も可能な試作電車が開発され、開業前の山陽および東北新幹線で試験運転を行っている。
しかし1982年に大宮駅 - 盛岡駅間で暫定開業した東北新幹線は、大宮駅以南の建設に時間がかかり、東海道新幹線と接続する東京駅への乗り入れは1991年までずれ込んだ。その間の1987年には国鉄分割民営化により、東北新幹線はJR東日本、東海道新幹線は東海旅客鉄道（JR東海）の管轄に分かれ、乗り入れに関する意思を統一することが困難となり、直通運転の構想は立ち消えとなった。ほかにも採算性（需要）の問題や電源周波数・保安装置などの相違やダイヤ編成の困難さ、東北新幹線内で遅延が発生した際の東海道新幹線への影響（その逆の場合も然り）など、直通運転の実現へ向けて生じる課題は多く、山積する課題をクリアしてまで実現させる程のメリットは無い。との見方が示されている。