この区間はJR線路名称公告上は上越線の支線となっているが、運行上の形態は上越新幹線の一部である。在来線の扱いだが、新幹線用の施設・車両を使用し新幹線特例法の対象となっている。途中駅はなく、終点のガーラ湯沢駅は隣接のスキー場にアクセスするために新設された駅であり冬季のみ営業となっている。ゆえにこの区間は冬季のみの営業で、運行期間中は東京方面からの新幹線列車が乗り入れる。この区間を運行する列車はすべて特急列車であるため、乗車する場合は乗車券のほかに特急料金100円が必要となる。この区間のみの指定券は発売しないことになっている。また、特急料金不要の特例はなく、普通列車用の企画乗車券である青春18きっぷや北海道&東日本パスでの乗車はできない。この運行形態は、西日本旅客鉄道（JR西日本）の博多南線とほぼ同等である。また、オフシーズンでも越後湯沢駅終点の新幹線列車が折り返しのために入線するが、客扱いはしない。また冬季であっても、路線の性格上スキー客がほぼすべてであるが、本数はそれほど多くはなく、下りは朝8時台の2本を除いて1時間に1本程度で15時以降は2時間運行されない時間帯もある。また終電は18時22分越後湯沢駅発で終了する。上りは始発から16時台の2本以外は、1時間1本程度の運行であり、終電は19時6分ガーラ湯沢駅発で終了する。列車の運行されない時間帯の同区間の交通は、シャトルバスが担っている。
※詳細は各列車の項目を参照のこと。高崎駅 - 水上駅間では、臨時列車として夏季や冬季の多客時に上野駅 - 水上駅間の特急「水上」が運転されるほか、蒸気機関車D51 498またはC61 20牽引によるSL列車「SLぐんま みなかみ」などが運転される。高崎駅 - 渋川駅間では、吾妻線に直通する臨時列車としてジョイフルトレイン「リゾートやまどり」を使用して特急「リゾート草津」や快速「リゾートやまどり」などが運転される。このほか、夏季に行われる高崎花火大会の日に臨時列車が運転される年もある。長岡側からは、2014年から運行されている観光列車「越乃Shu*Kura」（上越妙高駅 - 十日町駅間）・「ゆざわShu*Kura」（上越妙高駅 - 越後湯沢駅間）が、それぞれ当線の宮内駅 - 越後川口駅間・宮内駅 - 越後湯沢駅間を走行する。このほか、全通以来冬季のスキー客輸送や、夏季の尾瀬ハイキング客輸送には上野駅・新宿駅などから直通の臨時列車が運行されていたが、近年は消滅傾向にある。
この区間は新潟県内のローカル輸送のため、普通列車主体の運行が行われている。水上駅・越後中里駅・越後湯沢駅・石打駅 - 信越本線長岡駅間が基本的な運行形態であり、越後湯沢駅 - 長岡駅間の列車が最も多い。1日の運行本数は越後中里駅 - 越後湯沢駅間で9往復、越後湯沢駅・石打駅 - 長岡駅間で15往復（土曜・休日は午前中に1往復追加、越後川口駅 - 長岡駅間は後述の飯山線直通列車が加わり17往復）となっている。線路名称上の終点である宮内駅を始発・終着駅とする列車はなく、一部列車は新潟方面と直通する。2016年からは日中の一部の列車がワンマン運転を実施している。また、北越急行ほくほく線の列車が越後湯沢駅 - 六日町駅間に乗り入れている。ほくほく線の普通・快速列車は上越線内では一部の普通列車が塩沢駅・上越国際スキー場前駅（ただし、上越国際スキー場前駅は季節限定）に停車するが、石打駅・大沢駅は全列車が通過する。超快速「スノーラビット」については下り1本のみが六日町駅に停車するが、その他は上越線内は全駅通過し、越後湯沢駅の次の停車駅はほくほく線十日町駅となる。なお、ほくほく線直通列車はすべての列車がワンマン運転である。越後川口駅 - 長岡駅間では、飯山線からの直通列車が気動車で2往復設定されており、2往復ともワンマン運転を行っている。
寺伝によれば、大宝元年（701年）、行基が本尊十一面観音像を彫り「来迎院」という小寺を建てたのを創始とするという。平安時代には藤原忠平が来院し観音像を参拝したところ、たびたび夢に現れたため、天慶4年（941年）に橘備後守・石田勘解由に命じて、本堂・護摩堂・三重塔・大門等十二坊舎を造り、天慶6年（943年）落慶供養をして、稲三千束を寄進したという。現在でも大師堂に忠平の像が祀られている。14世紀、鎌倉幕府打倒を目指した足利尊氏の従兄弟真応上人が冨賀寺住職となり戦勝祈願をしたところ、尊氏は連戦連勝して、ついに延元3年（1338年）室町幕府の初代将軍となった。尊氏はこれを冨賀寺本尊の加護によると考えて、以後、祈願寺として、田地180町を寄進し、本堂・中堂・護摩堂・阿弥陀堂ほか、大坊・中谷坊・杉本坊・法寂坊等の坊舎18坊を造営したと伝える。現在も文化財として伝わる「三千仏名宝塔図」「荒神図」はこのときに寄贈されたものと思われる。天文21年（1552年）には、三河に進出していた今川氏により寺領を安堵されている。享禄3（1530年）の宇利城合戦では、冨賀寺裏山の四十九院が松平清康の本陣となり、以後江戸時代末期まで徳川氏の保護下に入ったようで、家康をはじめ各将軍より20石を安堵された朱印状が残っている。戦後の農地解放により、冨賀寺も10町近くの田畑を失ったが、今なお本堂、大師堂、護摩堂、鎮守堂、弁天堂、鐘楼堂等の伽藍を擁し、多数の文化財を伝えている。