平日はすべての列車が普通列車で、土休日には普通列車のほか後述のキハ52・28形を使用した観光急行列車が運転されている。全線通し運転の列車のほか、大原駅 - 大多喜駅・大多喜駅 - 上総中野駅間の区間列車が運転されている。普通列車はワンマン運転を実施しており、単行（1両）または2両での運行が基本である。普通列車の運行本数はほぼ1時間に1本となっている。車両の夜間滞泊は大多喜駅のみで行っている。国鉄時代は大原発の最終が夜10時台で、2013年3月16日現在のダイヤよりも約1時間遅く、夜間滞泊は上総中野駅で行っていた。2011年4月29日から、主に土休日に大多喜駅 - 大原駅間で西日本旅客鉄道（JR西日本）から譲渡された気動車キハ52 125による「観光急行列車」が運転されている。乗車の際は急行券が必要で、大原駅、上総東駅、国吉駅、城見ヶ丘駅、大多喜駅に停車する。2013年3月からはJR西日本から譲渡されたキハ28 2346の連結を開始した。
外房線大原駅から分岐して房総半島東側から内陸部に入り、上総中野駅で接続する小湊鉄道線とあわせて半島横断線を形成する。国吉 - 総元間付近では夷隅川に沿って敷設されている。開業以来、慢性的な赤字に悩まされ続けており、存亡の機に瀕していた。2007年10月29日に行われたいすみ鉄道再生会議で、2009年度までの2年間は収支検証期間として存続する方針が決定され、2009年度の決算で収支の改善が見込めない場合は廃止を前提に代替交通を検討することになった。いすみ鉄道は増便・駅の命名権（ネーミングライツ）売却・新駅開設（城見ヶ丘駅）など、経営改善策・乗客獲得策を打ち出した。その結果、経営状態の回復が認められ、2010年8月6日にいすみ鉄道線の存続が決定した。
2008年現在では、全編成の排障器が813系と同様の乗務員室昇降ステップ組込み大型に交換されている。一部の編成では客室側窓の一部固定化改造も施工されているが、落成当初から扉間の中央と車端部以外の側窓が固定式とされている813系と異なるのは、車端部から一箇所おきに固定式とされている点である。2005年（平成17年）春以降、車外スピーカーの設置が進められている。また、落成当初はドア周辺のみであったつり革がドア間の座席部分にも増設されている。これに伴い干渉する一部の吊り広告枠が移設された。
上記の他にも、どーもくん、CATS(P1編成に黒帯が塗装された)、ドラえもん のび太の恐竜2006、ポケモンシリーズなど期間限定で広告ペインティング・ラッピングが施される事例がある。
パリからルーアンまでは、その大部分でセーヌ川左岸を通る経路で建設され、直線区間では風上に向かって流路を辿る。路線は、川を見下ろす樹木で覆われた台地の川の蛇行により突き出ている部分の最も狭い箇所を、掘られたトンネルで通っている。結ばれている2つの大都市圏に加えて、路線はセーヌ川とその主な支流沿いに点在する多数の小さな工業都市に通じている。路線はコロンブ(Colombes)で1837年開業のパリ - サン＝ジェルマン＝アン＝レー線を分岐し、ブゾン(Bezons)とメゾン＝ラフィット(Maisons-Laffitte)とわずか数km間隔でセーヌ川を2回横断し、サン＝ジェルマン＝アン＝レーの森を横断した後、セーヌ川沿いを走る前にポワシーへと至る。レ・ムローを経て、マント＝ラ＝ジョリーに至った後、路線はロルボワーズ隧道で蛇行部分をショートカットし、再びセーヌ川沿いに出て、ヴェルノン(Vernon)を通りつつ30km程進み、再度、川の蛇行部のヴェナブル(Venables)支脈を二つのトンネルで斜めに横切る。路線はウール川の幅広い沖積平野を横断した後、ル・マノワールでセーヌ川を渡り右岸側を走行する。トゥールヴィル隧道を抜けた後、路線はオワセルで再び左岸に移り、ルーアン＝リヴ＝ゴッシュ駅へ向かう。ルーアンからル･アーブルにかけて、路線はセーヌ川の谷から離れ、コーの台地上を通る。路線はソットゥヴィル工場付近でパリ - ルーアン＝リヴ＝ゴッシュ線から離れ、全長370メートルの橋でセーヌ川を渡り、コート・サント＝カトリーヌの丘の下を全長1050メートルのトンネルで抜け、ダルネタル(Darnétal)谷を築堤で越え、地下区間を2272メートル進んだ後、全長200メートルの切り通し区間に位置するルーアン＝リヴ＝ドロワット駅に達する。そして、路線は連続した構築物によって、コーの台地上に辿りつく。路線は2つのトンネルでルーアンの北側を迂回し、デヴィル(Déville)、マロンム(Maromme)、ボンドヴィル(Bondeville)を結ぶ谷に辿りつく。そして、140メートルの斜橋や切り通し、築堤によって、開口部15メートルの8つのアーチからなる高さ26メートルのマロネ(Malaunay)橋梁に到達する。そのすぐ後に、マルネ - ディエップ線の分岐点がある。この区間で最も長い全長2200メートルのトンネルを抜け、フレスキエンヌの小さな谷を越えた後、Austreberthe川の谷を高さ32メートル、全長478メートルのバランタン橋梁で越える。パヴィリー(Pavilly)までこの谷に沿って進んだ後、サン＝ドニ(Saint-Denis)谷に沿って進み、ソットゥヴィル(Sotteville)より137m高いモットゥヴィル(Motteville)でコー地方の台地上に到達する。台地上に登ってからは、曲線上にある全長530メートル高さ32メートルの橋梁で越えるミルヴィル(Mirville)の谷を除いては大きな起伏無しに40km程台地上を横断する。路線はイヴトーを通った後ボルベックの近郊を通過する。サン＝ロマン(Saint-Romain)で路線はル・アーブルへ向けてサン＝ローラン谷(Saint-Laurent)を11kmに亘って、1メートルあたり8mmの割合で降りる。アルフルール(Harfleur)の谷を渡り、グラヴィル(Graville)の平野を越えると、当路線の終着駅、ル・アーブル駅である。駅は市街地東部、港のドックに近接している。