岩島駅 - 長野原草津口駅間は、八ッ場ダムの建設により水没するため、線路の付け替え工事が行われた。日本一短いトンネルとして知られていた樽沢トンネル（全長7.2 m）は、水没区域外に位置しており、水没は免れるものの、新線付け替えに伴い用途廃止となった。川原湯温泉駅は温泉街と同様に西側の高台へ移転し、新たな川原湯温泉駅が設けられた。また、付け替えに伴って掘削される3トンネルのうち、八ッ場トンネルの施工にあたっては日本の鉄道トンネル本坑では初の全断面TBM工法が採用された。2009年（平成21年）に日本政府の自民党から民主党への政権交代による八ッ場ダム建設中止問題が浮上し、ダム本体建設についての予算は一旦凍結されたが、吾妻線付け替え工事およびダム周辺の道路整備に係る費用は予算計上されており、吾妻線の新線付け替えのための工事は継続して行われた（詳細は「八ッ場ダム」を参照）。2013年（平成25年）12月18日の「八ツ場ダム水没関係5地区連合対策委員会」において、2014年（平成26年）秋に吾妻線岩島駅 - 長野原草津口駅間を新線に切り替える予定であることが報告され、2014年（平成26年）5月20日にJR東日本高崎支社が吾妻線一部付け替え工事の完了と新設線の運用開始を同年10月1日と発表した。2014年（平成26年）9月24日をもって岩島駅 - 長野原草津口駅間の旧線での営業を終了した。この日の最終列車通過後に岩島駅 - 長野原草津口駅間の新線への切り替え工事が開始され、翌25日は中之条駅 - 大前駅間を運休して夕方まで切り替え作業が続けられた。9月26日から30日までは渋川駅 - 岩島駅間で列車を営業運転し、岩島駅 - 大前駅間を運休して新線区間で試運転と乗務員訓練を行なった。この期間（9月25日 - 30日）は中之条駅 - 大前駅間で代行バスが運行された。10月1日から新線経由で岩島駅 - 大前駅間の営業運転を再開。岩島駅 - 長野原草津口駅間の営業キロが新線への切り替えに伴い0.3 km短縮され、吾妻線全線の営業キロは55.3 kmとなった。
群馬県北西部にあり、利根川支流の吾妻川により形成された吾妻谷を渋川から西進する路線である。沿線には草津温泉や四万温泉・沢渡温泉・川原湯温泉・尻焼温泉など、温泉が多く存在し、東京（上野駅）から直通の特急が運行されている。また普通列車も全て上越線経由で新前橋駅または高崎駅から直通している。全線を高崎支社が管轄している。以前は、「Suica」などのIC乗車カードは利用できず、JR東日本の関東地方の在来線で唯一東京近郊区間に含まれていなかったが、2014年10月1日より全線が東京近郊区間に含まれ、導入済みの渋川駅に加え中之条駅、長野原草津口駅、万座・鹿沢口駅でSuicaおよびSuicaと相互利用可能なICカードが使用可能になった。
紀伊田辺駅は和歌山県中南部の経済の中心となっている田辺市の中心駅で、かつて紀伊田辺機関区があったため、駅構内には多くの留置線があり、この駅を境に普通列車の運転系統が分かれている。また、紀州路から中辺路と大辺路が分岐しており、陸上交通においても鉄道においても交通の要衝でもあった。紀伊田辺駅からは複線になり、田辺市の市街地を抜け、芳養駅を過ぎると第三芳養トンネルを通過し、日本一の梅の産地を抱えるみなべ町に入り、南部駅に至る。千里梅林の下にあるトンネルをすぎると、千里の浜と呼ばれる海岸沿いを走行する。古くからの景勝地で、『枕草子』などでその名がみられるほか、日本有数のアカウミガメの産卵地として知られている。岩代駅 - 切目駅間の一部区間では太平洋の絶景を眺めることができ、一部の列車が速度を落として運転するなどビューポイントとなっている。切目駅からは内陸を走行し、印南駅のすぐ北側には印南町のシンボルである「かえる橋」を見ることができる。御坊駅では紀州鉄道が分岐している。御坊駅は御坊市の郊外に位置しており、中心駅は紀州鉄道の紀伊御坊駅である。御坊駅から再び北上し、紀伊内原駅・紀伊由良駅と続く。紀伊由良駅は、蒸気機関車に使用される石炭を配炭する拠点が海岸部にある由良港に設けられ、その配炭所を結ぶ目的で貨物線が分岐していた。このあたりからミカン畑が目立つようになり、広川ビーチ駅を通過し、醤油発祥の地として知られている湯浅駅へと至る。かつて有田鉄道が分岐し、特急の停車駅にもなった藤並駅を過ぎると、西進しながらJR西日本管内の在来線では最長の有田川橋梁 (912m) を渡って、有田みかんの生産地である有田市に入り、有田川の右岸を走行する。有田市の代表駅である箕島駅を過ぎて半島の先端を回って石油タンクが立ち並ぶ初島駅に至り、再び東に進路を変えて下津駅と続く。加茂郷駅を過ぎトンネルを抜けると再び海岸線を走行するようになり、左手には紀伊水道が見える。この先の冷水浦駅まで、紀勢本線では海が見える最後の区間で、対岸にはポルトヨーロッパや工業地帯が見える。阪和道の海南インターチェンジの高架橋をくぐると、左にカーブをしながらやがて高架橋を走行して海南駅を通過し、その後も高架橋を走行するも徐々に高度を落として紀勢本線最後で180か所目のトンネルを通過する。トンネルを抜けると黒江駅で、和歌山市に入って名草山の南西側を迂回するために左へカーブしてしばらく直進で進んだのち、再び右へカーブして紀三井寺駅を通過し、徐々に和歌山市の市街地を進むようになる。宮前駅を過ぎると左手には和歌山ビッグホエールと呼ばれる多目的施設が見えるが、かつてここには和歌山操駅があった。やがて右手から和歌山電鐵貴志川線が寄り添ってくると、和歌山駅に到着する。