常磐線
日暮里 - 取手
品川駅から日暮里駅までは山手線など多くの路線と併走し、日暮里から東北本線と分かれる。北千住駅付近まで、日光街道沿いの下町の中を走り、荒川を渡る手前で地下鉄千代田線と合流し、綾瀬駅まで並行する。綾瀬駅から取手駅までは複々線区間となり、千代田線から直通する各駅停車は綾瀬駅を出ると亀有駅、金町駅の順に停車するが、品川・上野方面からの快速電車は松戸駅、柏駅、我孫子駅といった市の中心駅しか停まらない。
江戸川を渡り、東京都葛飾区から千葉県松戸市へ入ると、矢切の田園地帯にて緩行線と快速線が交差した後、線路は地上へ降りる。松戸駅では新京成電鉄新京成線、柏駅では東武鉄道野田線と連絡し、我孫子駅では成田線が分岐する。天王台駅を過ぎると千葉県と茨城県の境である利根川の利根川橋梁を渡って茨城県に入り、電車特定区間の終点である取手駅へ至る。
取手 - いわき
取手駅と藤代駅の間にデッドセクションがあり、以北は交流電化されているため、直流電車は通れない。取手駅から先は交直流電車のみが走る区間となる。
茨城県の取手市から龍ケ崎市・牛久市・土浦市・石岡市・小美玉市・笠間市・水戸市・ひたちなか市・那珂郡東海村・日立市・高萩市・北茨城市を経由し、茨城県と福島県浜通りの境に当たる勿来関を越えて、福島県いわき市に入ると、浜通り地方で最初の駅、勿来駅に至る。そのまま福島県内を北上し、浜通り南部の中心地いわき駅に至る。
いわき - 岩沼
この区間は、2011年（平成23年）3月11日の東日本大震災および福島第一原子力発電所事故により、不通となっている区間がある。そのため、未復旧区間については特記ない限り被災前の状況を記す。
いわき駅を出て、四ツ倉駅を過ぎると単線になる。この区間は電化時に古いトンネルを放棄しているため、沿線に廃トンネルが多数みられる区間である。竜田駅を出発すると常磐線最長の金山トンネルを通過し、富岡駅に到着する。
富岡駅から夜ノ森駅、大野駅と過ぎて、福島第一原子力発電所の煙突を背にしながら、双葉駅に到着し、さらに浪江駅、小高駅を経て、「雲雀原」の異名を持つ南相馬市の中心駅・原ノ町駅に到着する。
原ノ町駅では、2007年以降普通列車の系統が分断されており、2017年現在は下り2本と上り1本以外は乗り換えが必要となっている。その後旧鹿島町の中心駅鹿島駅、相馬市の中心駅・相馬駅などを経て、駒ケ嶺駅を過ぎると、2016年に完成した津波被害からの復旧区間に入る。
新地駅を過ぎると、浜通りから脱して宮城県へ入り、坂元駅・山下駅を過ぎると、浜吉田駅の手前で廃線となった従来線と合流する。その後、亘理駅、逢隈駅を過ぎ阿武隈川を渡ると、常磐線としての終点である岩沼駅に到着し、日暮里駅で分かれた東北本線に合流する。
歴史
最初の開業区間は、1889年（明治22年）に水戸鉄道として現在の水戸線とひとつながりで開業した友部（路線開業時は駅無し、1895年設置） - 水戸間である。
1896年（明治29年）には日本鉄道により東京・田端 - 水戸間が開通する。実質的な常磐線としての建設は、それまで船に頼っていた常磐炭田から産出される石炭の輸送ルート確保を目的としていた。このため、現在の山手線を経由して東海道本線に抜けられるように田端駅が起点とされ、上野駅への乗り入れは後から行われた。この関係で、三河島駅から日暮里駅まで不自然な急カーブを描く線形となっている。効率的な石炭輸送をはかるために、明治時代から複線化工事が開始された。常磐炭田の石炭輸送のほか、日立鉱山、日立製作所関連の人員・物資輸送で、常磐線は戦前・戦後を通じて国内経済発展に欠かせない存在となっていった。
1898年（明治31年）に岩沼駅まで全通した後は、東北本線のバイパスとして機能した。関東地方と東北地方を結ぶ鉄道路線の中でも海岸沿いを走るため線路が東北本線に比べて平坦である点が蒸気機関車牽引の列車にとって最大の利点であったこと、平駅（現在のいわき駅）までの複線化も早期に行われたこと、さらに、奥羽本線への直通列車設定も必要だった東北本線に比べ、ターゲットを上野と仙台以北との往来に絞れたことから、仙台駅以北に直通する旅客列車が常磐線を経由して走るようになり、1920年（大正9年）に経路特定区間制度が設定された時、日暮里 - 岩沼間が最初の設定区間の一つに指定されている。1958年（昭和33年）に東京以北で初の特急列車として登場した「はつかり」も、当初は常磐線経由で設定された。東北本線の電化・複線化が進むにつれ、まず「はつかり」など昼行の長距離優等列車から東北本線経由への整理統合が進んだが、東北本線が通勤時間帯に混雑することや奥羽本線への直通夜行列車が多数設定されたことから仙台駅以北に直通する夜行寝台列車はなお常磐線経由が主力であった。
石炭輸送を目的とした急行貨物「ひたち号」が1964年（昭和39年）に開始されたが、その後まもなくエネルギー革命によって炭鉱が次々と閉山に追い込まれ、1973年（昭和48年）を最後に常磐線の当初の目的であった石炭輸送の役目は終わりを迎えた。その一方で旅客面では、1969年（昭和44年）10月に上野 - 平間に特急「ひたち」が運転を開始し、1985年（昭和60年）につくば市で開催された科学万博期間中は全国から訪れる観客の輸送を引き受けた。このとき臨時駅（万博中央駅）も設置され、“赤電”のニックネームで親しまれた列車も、白地に青線へ化粧直しされた。1987年（昭和62年）4月、当時20兆円の累積赤字を抱えていた国鉄が分割・民営化され、常磐線はJR東日本の一路線として再スタートを切った。しかし、東北新幹線の開業以後は常磐線から仙台駅以北に直通する旅客列車が大幅に減り、東北本線のバイパスとしての存在意義が失われたことから、長らく設定されていた日暮里 - 岩沼間の経路特定区間制度は2001年（平成13年）に廃止された。
東日本大震災・福島第一原子力発電所事故の影響
2011年（平成23年）3月11日の午後に東北地方太平洋沖地震（東日本大震災の本震）が発生し、沿線では広範囲で震度5弱から6強の揺れを記録した。このため当日全線で運転を見合わせ、勿来駅 - 岩沼駅間では駅構内に7本、駅間に6本の列車が停車した。
また茨城県から宮城県にかけては施設の破壊・支障が発生したほか、沿岸ではこの地震による津波の影響を受け久ノ浜駅から亘理駅にかけて断続的に設備の浸水・流失被害が発生した。これにより、新地駅で抑止中であった普通244MのE721系電車（P-1編成+P-19編成）と浜吉田 - 山下間を走行中に抑止となった貨物92列車（ED75 1039+コンテナ車）のコンテナ車がそれぞれ津波の直撃によって脱線・大破しているが人的被害はなかった。
このほか、常磐線に特有の被害として、大野 - 双葉間の沿線に立地する福島第一原子力発電所の事故による放射能汚染が挙げられ、事故後の2011年（平成23年）4月22日以降、原発からの半径20 km圏内と重複する広野 - 磐城太田間が災害対策基本法に基づく警戒区域（民間人強制退去・立入禁止）に指定、半径20 kmから30 km圏内のうち計画的避難区域でない地域の大半（久ノ浜 - 広野、磐城太田 - 鹿島）が「緊急時避難準備区域」に指定された。
不通区間の復旧と現状
被害が比較的甚大であった取手駅以北の区間においては翌日以降も不通となったが、2011年（平成23年）5月14日までに上野 - 日暮里 - 久ノ浜間、亘理 - 岩沼 - 仙台間で列車の運行を再開した。その他の区間も順次復旧が進められ、2017年（平成29年）10月21日時点で富岡 - 浪江間が不通、富岡 - 原ノ町間でバス代行輸送が行われている。
久ノ浜 - 広野 - 竜田間
この区間は一部で施設が浸水したほか、原発事故当初、沿線の広野町内は全域が緊急時避難準備区域、楢葉町内の大半が警戒区域（再編後は避難指示解除準備区域）となった。
警戒区域に含まれなかった久ノ浜 - 広野間は2011年（平成23年）8月1日から運転再開前日まではバス代行を実施し、広野駅へ仮設ホームを設置した上で同年10月10日に運行を再開した。なお、広野町の緊急時避難準備区域は運行再開前の同年9月30日に解除されている。仮設ホームは竜田までの復旧後に撤去された。
2014年（平成26年）6月1日には楢葉町の帰町判断に合わせ、除染・復旧が完了した広野 - 竜田間で、避難指示解除準備区域（当時）としては初の鉄道営業を再開している。列車は基本的に従来の広野行きを一部延長する形で運転された。竜田駅では副本線である3番線を使用し、2・3番線と1番線の間の線路には上下本線をまたぐ仮設の足場が設置されていたが、富岡駅までの復旧に伴いこの足場は撤去されている。なお、楢葉町内の避難指示は2015年（平成27年）9月5日に解除された。その後、2020年（令和2年）6月には竜田駅の新駅舎が完成する予定である。
竜田 - 富岡間
富岡駅付近を中心に津波による被害が発生した区間である。避難区域の再編後、大半が避難指示解除準備区域となった。なお、被災した富岡駅については、2015年（平成27年）1月16日までに解体に着手している。
再開目標の提示以前から、2013年（平成25年）に、被災区間を津波対策などを施し、現在位置で復旧させる検討がなされていることが報道されており、2014年（平成26年）には富岡駅を従来の位置よりやや北側で移設復旧する富岡町のまちづくり計画が発表され、JR東日本側も沿岸部の防潮堤整備を条件に復旧を行うとしていた。
2015年（平成27年）3月の国土交通省発表では、運転再開目標は竜田 - 富岡間は「3年以内」（2018年〈平成30年〉春まで）とされた。運転再開時期については2016年2月に富岡駅の移設協議が進んだことを受け2017年末に、2017年（平成27年）3月には工事が順調に進捗していることから同年10月ごろに繰り上げられ、最終的に同年10月21日に、竜田駅発着の全列車を延長するかたちで運転再開となった。再開に当たっては駅を100 mほど北に移設し、交通広場などを整備した。
なお、帰還困難区域を除いた富岡町の避難指示は2017年（平成29年）4月1日で解除された。
富岡 - 浪江間
避難区域の再編後も大半が帰還困難区域および居住制限区域とされた区間である。この区間については比較的高い放射線量の区間がある（2015年時点で空間線量率最大29.6 μSv/h、平均4.1 μSv/h）ことから、2015年（平成27年）3月の国土交通省発表では「除染や異常時の利用者の安全確保策を完了した後」の開通とされ、具体的な時期は明示されなかった。被災区間では最後まで再開目標が明示されていなかったが、2015年（平成27年）6月29日から先行して倒壊・破損した第一前田川橋梁の撤去工事を行った後、2016年（平成28年）3月10日、国土交通省より2020年（令和2年）3月までに運転を再開する見通しが発表され、2016年3月18日より順次除染・復旧工事に着手している。2019年（令和元年）11月までに工事を終了させ、同年12月には試運転を始めるとJR東日本が明らかにしている。同年6月1日には架線への送電が開始された。なお、雨森慎吾水戸支社長によると、鉄道設備に関する国の試験は同年10月ごろになる見通しになるという。
除染はバラストやまくらぎの交換、除草・伐採、のり面・路盤のすきとり、モルタル・植生基材吹付によって行われ、これに先立ち、2015年（平成27年）8月20日から本区間の中でも特に線量が高い夜ノ森 - 双葉間の6か所（大熊町内）で除染の試験施工がJR東日本により行われている。2016年2月の報告によるとこの区間における帰還困難区域相当の空間放射線量であった区間は1割程度であり、試験施工についても目標としていた3.8 μSv/h以下（避難指示解除準備区域と同等）を達成し、効果が見られたと報告されている。なお、除染に当たり、夜ノ森駅の名物であったツツジは幹10 cmを残して伐採されるほか、避難指示解除時期にあわせ、新たな苗木を植える計画である。除染の効果も出始め、大熊町内でも、2.8 μSv/hに低下しており、双葉駅構内でも、0.11 μSv/hに低下した。大野駅でも、1.35 μSv/hに低下したという。除染は、2018年中に終了した。
なお、この区間のうち、大野 - 双葉間は複線化がなされていたが、復旧に当たっては下り線のみを復旧し単線とし、上り線は乗客避難・修繕用の通路とするとしている。2017年12月には第一前田川橋梁の下り線架け替えが完成し、上り線跡地には道路橋が架けられ、その後は通信ケーブルの復旧作業が行われている。また、双葉駅は橋上駅になるほか、棒線駅になる。夜ノ森駅も、橋上駅になる。大野駅も改修されることになっており、大野駅前では整地作業が行われている。なお、福島県では、双葉町、大熊町、夜ノ森駅周辺の避難区域解除を、同区間の営業再開に合わせ実施するという。
浪江 - 小高間
小高駅付近が浸水したほか、室原川橋りょうの破損などが見られた。避難区域の再編後は大半が避難指示解除準備区域、一部が居住制限区域となった。2015年3月の国土交通省発表では、運転再開目標は遅くとも2017年とされた。2016年（平成28年）1月6日より除染・復旧工事に着手し、2017年（平成29年）3月7日には同区間の試運転が開始され、同年4月1日に運行を再開した。浪江駅では2017年（平成29年）10月20日まで終着駅だった竜田駅と同様に副本線である3番線を使用し、2・3番線と1番線の間の線路には仮設の足場が設置されている。桃内駅では側線が撤去された。
なお、帰還困難区域を除いた浪江町の避難指示については2017年（平成29年）3月31日で解除された。
小高 - 原ノ町間
避難区域の再編後は磐城太田以南が概ね避難指示解除準備区域となり、2015年（平成27年）3月の国土交通省発表では、運転再開目標は2016年（平成28年）春とされた。2016年（平成28年）7月12日には南相馬市小高区に出されていた避難指示が帰還困難区域（該当世帯無し）を除き解除されることを受け、同日から除染・復旧工事が完了した小高 - 原ノ町間の運転を再開した。列車は当初、原ノ町 - 相馬間の列車を一部延長するような形で設定となったが、相馬 - 浜吉田間が復旧した2016年（平成28年）12月10日以降は仙台方面との直通も設定されたものの基本的に原ノ町駅で系統が分断されている。
小高駅では当初、下り本線の上に仮設の足場を設置して1番線ホームを拡張し、中線のみを用いていたが、浪江駅までの復旧に伴いこの仮設の足場は撤去されている。
原ノ町 - 相馬間
この区間は南相馬市内の一部が緊急時避難準備区域となったが、原ノ町駅 - 鹿島駅間で浸水などが発生した程度と前後の区間と比較し被害が比較的少なかった。
原ノ町駅では、2011年（平成23年）8月現在で651系K202編成・415系K534編成・E721系P9+P27編成・701系F2-510編成（原ノ町 - 磐城太田間で停止したものを移送）が閉じ込められていた。このうちE721系と701系については後に陸送で搬出されており、651系と415系については、しばらく留置されたのち2016年（平成28年）3月に撤去作業が行われ同月中に廃車されている。
代行輸送は区域指定が解除されていない2011年（平成23年）5月23日から相馬駅 - 亘理駅間のバスを延長する形で開始され、同年9月30日の緊急時避難準備区域解除を経て、12月21日に運行を再開した。運行再開の時点では徐行運転とし、2012年（平成24年）1月10日からは本来の速度で運転している。この運転再開時には前後の区間から孤立しており、原ノ町 - 相馬間で取り残された車両（前述）では運用が困難であったため、701系3編成6両を書類上勝田車両センターへ転属の上、2011年（平成23年）12月13日から15日にかけ陸送で搬入、原ノ町運輸区に常駐させて使用していた。
なお、2016年（平成28年）12月10日の相馬 - 亘理間の再開後は震災前と同様、仙台方面への直通が実施されている（次節も参照）。
相馬 - 亘理間
この区間は駒ケ嶺 - 亘理間で、新地・坂元両駅の流失など、津波による比較的大規模な設備の浸水・流失が発生したことから、亘理駅の中線にホームを仮設して仙台方面への折り返し運転を行い、相馬 - 亘理間でバス代行が実施された。バス便は各駅停車のほか、途中新地のみ停車する便や、山下 - 亘理の区間便が設定された。途中駅についてはバス停は旧駅とは異なる場所に設置されている場所があった（詳細は各駅の項を参照）。
内陸移設工事
この区間についてJR東日本は当初より国道6号線沿いの内陸部への移設も視野に復旧案を検討した。その後、沿線自治体である福島県新地町・宮城県山元町において常磐線の線路移設を含めた都市計画が立てられたこともあり、相馬 - 亘理間のうち、駒ケ嶺 - 浜吉田間については現位置より山側に移設、相馬 - 駒ケ嶺、浜吉田 - 亘理間は現位置で対策工事を行い復旧させることが、2012年（平成24年）3月5日に発表された。
うち、浜吉田 - 亘理間については復旧・避難対策完了後の2013年（平成25年）3月16日に先行して運行を再開した。ただしバス代行の区間は従来通りとされ、列車交換がない場合の跨線橋利用を避けるため、亘理駅の仮設ホームも存置された。
駒ケ嶺 - 浜吉田間の線路移設工事は新地駅（旧）の駒ケ嶺方約870 mから浜吉田駅の山下方約870 mまでの、全長約14.1 kmで行われ、2012年9月27日に用地取得を前提に2014年春に着手することが発表され、2014年（平成26年）5月までに用地買収が完了し、工事に着手した。当初着工から復旧まで3年を見込み、2017年（平成29年）春に相馬 - 浜吉田間が復旧する予定としていたが、2016年（平成28年）10月4日には東北運輸局による鉄道事業法に基づく完成検査に合格し、同年11月5日から再開前日まで試運転が行われ、同年12月10日に運転が再開された。同日実施のダイヤ改正では、震災前に運転されていた特急列車と貨物列車の設定はないものの、普通列車は震災前と同等の本数が確保された。
本区間はおよそ4割が単線高架で構成され、一部は地平や掘割を用いている。ただし、坂元 - 山下間では工期短縮のため丘陵上の遺跡やサクラの木を避け、掘割ではなくトンネル（第1・第2戸花山トンネル）を用いている。この区間にあった新地駅・坂元駅・山下駅の3駅は新線上に移設され、新地駅は地上駅、坂元駅・山下駅は高架駅となり、新地駅と山下駅には旧駅と同様列車交換設備が設置されたが、坂元駅については棒線駅として復旧された。
これに伴い駒ケ嶺 - 浜吉田間では各駅間の営業キロが変更され、駒ケ嶺 - 新地間で-0.2 km、その他で+0.1から0.4 km、全体で+0.6 kmの改キロとなった（震災前22.6 km、復旧後23.2 km）が、営業キロと運賃の変更は同区間を含むSuica仙台エリア内で2017年（平成29年）4月1日の磐越西線郡山富田駅開業と同時に実施された。
内陸移設後の旧線の路盤のうち新地 - 山下間は津波防災対策として盛土をして築堤に転用し、その築堤上に福島・宮城県道38号相馬亘理線を建設する工事が進行している。このうち新地駅-福島・宮城県境までは開通済みである。
運行形態
※1985年に筑波郡谷田部町（現つくば市）で行われた国際科学技術博覧会（科学万博）開催中運転された列車を含む運転状況については「つくば科学万博の交通」を参照。また、「普通列車」とは中距離列車の列車種別としての「普通」列車を指すものとする。
優等列車
優等列車は2016年現在、特急「ひたち」が品川駅・上野駅 - いわき駅間で、「ときわ」が品川駅・上野駅 - 土浦駅・勝田駅・高萩駅・いわき駅間で運行されている。
東日本大震災発生までは全線で特急列車が運行されていた。当初の計画では、2012年のダイヤ改正よりいわき駅 - 仙台駅間に新愛称の特急が設定され、いわき駅で同一ホーム乗り換え可能とされる予定であったが、東日本大震災・福島第一原子力発電所事故の影響で同区間の一部が不通となったことから、新愛称特急の運行計画は白紙となった。上野駅 - 仙台駅間で設定されていた「スーパーひたち」は大震災発生以後いわき駅 - 仙台駅間が運休となり、2012年3月17日のダイヤ改正で正式にいわき駅 - 仙台駅間での特急の設定がなくなり上野駅 - いわき駅間のみでの運行となった。2015年3月14日のダイヤ改正で列車名が「スーパーひたち」・「フレッシュひたち」からそれぞれ「ひたち」・「ときわ」に変更され、また同時に上野東京ラインの開業により運転区間が品川駅まで延長された。
更に2020年3月の全線復旧後は、東京都区内（2019年7月現在では上野駅か品川駅かは明示されていない） - 仙台駅間の特急列車の運行を再開する方針が示されている。車両は「ひたち」「ときわ」で使用しているE657系を使うとしている。
このほか、かつては東北本線のバイパスとして、上野駅 - 青森駅間の特急「みちのく」、寝台特急「ゆうづる」などが運転されていた。
地域輸送
普通列車は不通区間を除く全線において運転されている。この中に中距離電車と呼ばれる列車があり、品川駅から取手駅以東の勝田駅まで運転される列車で、現在はE531系電車が使用されている。
1982年11月14日までは上野駅 - 仙台駅間全線を通して走る列車もあったが、それ以降はダイヤ改正を重ねるにつれて系統分割が進められた。
2005年7月9日のダイヤ改正では、水戸駅 - 仙台駅間を直通する普通列車がいわき駅での系統分割により消滅し、2007年3月18日のダイヤ改正では、E531系電車へのグリーン車連結により、大半の列車が水戸駅・勝田駅を境に分断され、上野駅 - いわき駅間を直通する列車がなくなった。いわき駅 - 仙台駅間を直通する列車もE721系電車の導入に伴い大半が原ノ町駅で分断された。この改正以降、東日本大震災発生までの普通列車の基本的な運転系統は上野駅 - 勝田駅間・水戸駅 - いわき駅間・いわき駅 - 原ノ町駅間・原ノ町駅 - 仙台駅間の4つに分かれ、不通区間が存在する2017年現在でもおおむね、この系統が踏襲されている。2015年の上野東京ラインが開業後は一部列車が品川駅まで乗り入れるようになった。
また、友部駅から勝田駅まで（一部の列車は高萩駅まで）、日中をのぞき水戸線の列車が乗り入れている。
品川駅 - 上野駅 - 勝田駅間
品川駅・上野駅 - 土浦駅間は東京への通勤圏に含まれるため運行本数が比較的多い。日中時間帯は1時間に3 - 4本運行されており、このうち1本は品川駅 - 土浦駅間の特別快速で運行されている。土浦駅 - 勝田駅間（一部水戸駅発着）は朝の上りを除き毎時2 - 3本の運行である。このほか、友部駅 - 勝田駅間では水戸線の列車も乗り入れる。
原則としてE531系10両または15両編成（グリーン車連結：15両編成は品川駅・上野駅 - 土浦駅間のみ）での運転となり、130km/hでの運転が行われている。このほか、土浦駅 - 水戸駅・勝田駅間や水戸線直通の系統ではE531系付属編成のみやE501系での運転がある。
2017年10月14日の改正で、品川駅乗り入れ列車の増発および15両編成列車の増加（品川駅乗り入れ列車はすべて15両編成になる）が行われた。
特別快速
2005年8月24日に開業した首都圏新都市鉄道つくばエクスプレスへの対策として、開業前の同年7月9日に行われた常磐線単独のダイヤ改正で新設された種別である。日中時間帯に品川駅 - 土浦駅間で1日6往復運転される（新設時は上野駅 - 土浦駅間で下り6本・上り5本の1日5.5往復運転）。車両運用は新設時よりE531系電車のみに限定され、最高130km/h運転を実施している。
停車駅は品川駅・新橋駅・東京駅・上野駅・日暮里駅・北千住駅・松戸駅・柏駅で、取手駅 - 土浦駅間は各駅に停車する。下りは上野駅で普通と松戸駅で快速に接続し、上りは取手駅で快速（土休日15時台は各駅停車）と北千住駅で普通に接続する。北千住駅は2015年3月14日のダイヤ改正より停車駅に追加された。これにより、上りは北千住駅で先発快速と相互接続し追い抜くようになった。
グリーン車
東北本線（宇都宮線）・高崎線などでの普通列車グリーン車の利用が好調なことから、常磐線でも2007年1月6日よりE531系の4・5号車に順次普通車扱いで連結し、同年3月18日から営業を開始した。導入区間は上野駅 - 高萩駅間で、上野駅・我孫子駅発着の普通列車・特別快速の全列車に導入された。勝田駅 - 高萩駅間は朝夕・夜の一部列車のみ、また土浦駅で切り離しとなる列車もある。土浦駅以北のみを運転する列車でも、下り2本、上りは土休日に2本のグリーン車連結列車がある。
あわせて、ほかの普通列車グリーン車導入線区と同様にグリーン車Suicaシステムも導入された。当初、これに伴うSuicaの区間延長は行われなかったが、2008年3月15日より小木津駅 - 高萩駅間がSuicaエリアに加わり、それに伴いこの区間においてもグリーン車Suicaシステム対応となった。2017年10月14日から2019年3月15日まで、深夜の水戸発大津港行きの列車がE531系基本編成で運転されていたが、高萩駅 - 大津港駅間のグリーン車は普通車扱いだった｡
なお、常磐線内発着のグリーン券は、上野東京ライン開業後の2015年3月より東京・新橋・品川での東海道本線・横須賀線大船方向の乗り継ぎが有効となっている。「乗り継ぎ料金制度#普通列車」を参照。
水戸駅 - いわき駅間
この区間の普通列車は、一部普通列車にグリーン車を導入した2007年3月18日の改正で水戸以南との直通が大幅に削減され、水戸駅を越える列車は、土浦駅発着列車や水戸線直通列車、朝の上りと夜間下りの上野駅 - 高萩駅間の列車などに限定されている。なお、水戸線直通列車も水戸駅・勝田駅で分断され減少傾向にある。水戸以南への列車とは早朝・夜間を除き水戸駅で接続している。上りには勝田駅で特急ときわの接続待ち合わせを行う列車が日中と夕方に設定されている。また、後述のようにいわき駅を越えて広野駅・富岡駅に直通する列車も設定されており、東日本大震災前までは、原ノ町駅発着の列車もあった。
水戸駅 - いわき駅間の普通列車は、日中時間帯で1時間に2本の普通列車が運転されており、半数程度が高萩駅発着の区間運転となっている（勝田駅が始発・終点となる上野駅・水戸線小山方面発着列車を除く）。2016年3月26日のダイヤ改正で、日中のパターンダイヤ化が実施されたものの運転間隔は20分 - 40分前後と幅がある。
夜間（下り水戸発22時台以降、上りいわき発19時台以降）は運転頻度は1時間に1本程度になる。また、いわき行きの下り終電は、普通列車よりも特急列車の方が遅くまで設定されている。
使用車両はE531系（いわき駅発着系統は付属編成のみ）とE501系で運用されている。
いわき駅 - 原ノ町駅間
この区間は2007年のE721系投入時に大半の列車が原ノ町駅でいわき駅 - 仙台駅間を直通する普通列車の系統分断が行われ、2011年の震災を迎えた。震災後は一部区間（2017年10月21日現在、富岡駅 - 浪江駅間）が運休となり代行輸送が行われている。
いわき駅 - 富岡駅間では651系とE531系、E501系により1日11往復の列車が設定されており、これに加えて、いわき駅 - 久ノ浜駅・広野駅間の列車も設定されている。原則としていわき駅で特急列車との対面接続が行われている。朝夕を中心に一部列車は水戸駅発着の直通運転が行われている。
浪江駅 - 原ノ町駅間では1日11往復の列車が701系と719系を使用して運行されている。このうち、701系を使用する列車は朝の1往復のみで、それ以外の列車は全て719系を使用している。
原則として仙台方面とは原ノ町駅で乗り換えとなっているが、下り2本と上り1本は仙台駅発着となっている（ただし、上りは一旦原ノ町行きとして運転され、原ノ町駅到着時に行き先と列車番号を変更する。下りは最初から仙台行きとして運転）。
2011年の東日本大震災発生までのいわき駅 - 原ノ町駅間での運転本数は1時間に1本程度で、いわき駅 - 富岡駅間の列車（富岡駅で留置）も設定されていた。また、701系電車を使用する日中の一部列車でワンマン運転が行われた。運転再開後のいわき駅 - 富岡駅間・浪江駅 - 原ノ町駅間ではワンマン運転は行われず、全列車に車掌が乗務している。
原ノ町駅 - 仙台駅間
線内で完結する列車はなく、全列車が岩沼駅から先、東北本線を経由し仙台駅まで向かう運転形態となっており、原ノ町駅 - 仙台駅間の列車が1時間に1 - 2本程度運行されている。朝夕には新地駅・山下駅 - 仙台駅間の区間運転も設定されている。また、朝の2往復は仙台以北の利府支線利府駅まで直通運転を行っている。震災前には朝5時台に相馬始発原ノ町行きの設定があった。
貨物輸送
JR貨物の貨物列車は、2014年3月ダイヤ改正時点では、田端信号場駅 - 三河島駅 - 泉駅間で運行されている。田端信号場駅からは東北本線と山手貨物線、金町駅からは新金貨物線、馬橋駅・北小金駅からは武蔵野線、泉駅からは福島臨海鉄道線とそれぞれ直通運転が行われている。
馬橋駅以北で運行されている貨物列車は定期で1日3往復となっており、東京貨物ターミナル駅 - 福島臨海鉄道線小名浜駅間のコンテナ高速貨物列車1往復、隅田川駅 - 土浦駅間のコンテナ高速貨物列車1往復、信越本線安中駅 - 福島臨海鉄道線宮下駅（2015年1月13日以降は小名浜駅）間の鉱石輸送の専用貨物列車1往復が運行されている。
東京近郊では、隅田川駅 - 馬橋駅間で隅田川駅発着の武蔵野線・東北本線・中央本線方面などの列車が、また金町駅 - 馬橋駅間では武蔵野線と新金貨物線を経由する千葉地区発着の列車3往復が運行されている。
東日本大震災以前は全線で貨物列車が運行されており、震災前に作成された2011年3月12日改正ダイヤでは、首都圏から水戸駅や東北・北海道方面の列車があわせて5往復設定されていた。2012年3月ダイヤ改正では、これらのうち東北・北海道方面の4往復中3往復が東北本線経由、1往復が高崎線・上越線・羽越本線・奥羽本線経由（日本海側ルート）での運行にそれぞれシフトされた。
常磐線における定期貨物列車の発着駅は、隅田川駅・土浦駅・日立駅の3駅となっている。
運行車両
取手以南の快速電車・各駅停車で運用される車両については、「常磐快速線」、「常磐緩行線」を参照。以下に示す車両は機関車を除きすべて電車である。
愛称路線名の提案
1997年、茨城県南常磐線輸送力増強期成同盟会が上野 - 土浦間に東京、土浦のそれぞれ一部に都市を組み合わせた「京浦都市線」（きょうほとしせん）という愛称を付ける提案をした。この愛称は同盟会が公募を行い決定した。しかし、常磐線沿線の千葉県東葛地域（松戸市、柏市、我孫子市など）の各自治体から猛反発を受け、またJR東日本も消極的姿勢をとったため、この愛称は使用されていない。この語の使用を支持しているのは、土浦市や牛久市など同盟会加盟自治体である。ただし、各々の自治体の住民には全く浸透しておらず、そもそも、常磐線の名称に対する反発もほとんどない。
特別企画乗車券をめぐる運動
特別企画乗車券（トクトクきっぷ）の「東京自由乗車券」に代わって2006年3月18日に発売を開始した「都区内・りんかいフリーきっぷ」では、常磐線エリアのみが発売対象エリアから外れていた。
これに対し、日本共産党牛久市議会議員団が問題を提起し、9月4日には「都区内・りんかいフリーきっぷ導入に関する要望書」を牛久市議会にて全会一致で議決するなど、常磐線沿線自治体を巻き込んだ要望活動がなされた。 その結果、翌2007年1月15日より「都区内・りんかいフリーきっぷ」を常磐線藤代駅 - 勝田駅間に限定して発売することになった。なお、「都区内・りんかいフリーきっぷ」は、2013年3月31日利用開始分を以って発売を終了した。
つくばエクスプレスとの関係
2005年8月24日に開業した首都圏新都市鉄道つくばエクスプレスは、元々常磐線の混雑緩和を主要な目的に「常磐新線」として計画・建設された。しかし、バブル景気を経た時期より変容し、単純に輸送力の転移だけではなく、同沿線内の住宅開発などを行うなど総合的な計画になった。また、JR東日本が採算上「常磐新線」を断念したこともあり、JR東日本側にとっては、輸送力の転移による協調関係ではなく、競合関係へと変化していった（ここまでの詳細については首都圏新都市鉄道つくばエクスプレス#歴史も参照）。
このため、2005年7月9日に常磐線単独でのダイヤ改正が行われ、つくばエクスプレスと競合する常磐線上野駅 - 土浦駅間においては、新型車両E531系が投入され、この車両を使用して上野駅 - 土浦駅に限定し130km/h運転を行う特別快速が下り6本・上り5本設定された。都心方面のJR利用促進目的もあり、2006年3月18日のダイヤ改正より北松戸駅 - 南柏駅間と上野方面・土浦方面などの接続が改善され、運転本数も上りが1本増発され6往復となっている。一方で北千住駅については通過扱いとしている。なお、JRでは2007年3月18日のダイヤ改正で、土浦駅以南の中距離列車がすべてE531系へ置き換えられ、取手駅以南のE231系と共にスピードアップがなされた。また、上野 - 高萩間においてはグリーン車の営業も開始した。
反面、実際の利用状況を踏まえて供給調整した面もある。ラッシュ時に運行されていた通勤快速は全廃されて特急列車や普通列車に置き換わったほか、元々輸送過剰気味であった昼間の快速電車が一部減便された。また、特急「フレッシュひたち」は千葉県内で地元からの利用が少ない我孫子駅・松戸駅を通過とし、利用の多い柏駅停車に統一された（朝8時台までの上り列車は、柏駅を含め千葉県内の各駅はすべて通過。スーパーひたち7号の松戸駅停車のみ継続されたが、ひたち3号に改称された2015年3月14日改正で柏駅停車に変更）。
2015年3月14日から常磐線の品川駅乗り入れ（上野東京ラインの節も参照）が始まった。
一方で、つくばエクスプレス開業の当初の目的であった常磐線の混雑緩和については、2005年度の常磐線ラッシュ時混雑率が、快速線（快速電車のみ）は松戸 - 北千住間で約170%、緩行線は亀有 - 綾瀬間で約180%まで減少したが、快速線では快速電車の減便などの要因で、2006年度の混雑率は再び上昇に転じている（その後再び減少している）。
上野東京ライン
東北新幹線の建設に伴い分断されていた上野駅 - 東京駅間の東北本線の列車線約3.8km（営業キロ3.6km）が2015年3月14日に「上野東京ライン」として復活し、常磐線が宇都宮線・高崎線とともに上野駅から東京駅を経由し品川駅まで乗り入れている。
東京駅と直結することで従来の所要時間を約9分短縮でき、つくばエクスプレスの開業による常磐線の利用者減少に歯止めが掛かることが期待されている。
2014年10月30日に直通運転の概要が発表され、常磐線は、朝通勤ラッシュピーク時間帯（東京駅基準8時台）以降の一部列車が品川駅までの直通運転を行う。朝ラッシュ時間帯（東京駅8時 - 9時）は快速電車のみ5本が品川行きとなる（これは同時間帯に5本ずつ東海道線に直通する宇都宮線・高崎線と同数）。それ以降は、データイムは特急列車の全列車と中距離列車の一部列車、夕・夜間は特急列車の一部列車と快速電車がぞれぞれ品川駅まで直通となり、全時間帯・全列車品川駅以南には直通しない。
なお、2014年5月18日付けの茨城新聞では、「上野東京ラインに3線全ての列車が乗り入れることは物理的に困難で、今後の振り分け本数も注目される。ある国土交通省幹部は『利用実績で割り振るのが基本だが、北関東から南関東へ抜ける湘南新宿ラインのような路線がないこともあり、常磐線はかなりの本数が入るだろう』と見通しを明かす」と報じている。
運輸省（現国土交通省）が2000年に実施した都道府県間鉄道流動統計データ（幹線鉄道旅客流動実態調査）によると、東京圏（東京都、神奈川県、埼玉県、千葉県）から鉄道で茨城県に移動した年間旅客数は277.6万人と集計され、栃木県の481.8万人より大幅に低く、群馬県の287.5万人とほぼ同程度に見えるが、この調査は新幹線を含む特急列車を利用した旅客が対象であり、茨城県内で東京への通勤圏を走る区間が長く通勤通学旅客が対東京圏流動の中心となる常磐線に単純に当てはめて比較することはできない。上野東京ライン開業後の変化も含む考察が待たれている。