桜木町駅 - 大船駅間では日本貨物鉄道（JR貨物）による貨物列車が運行されている。桜木町駅では貨物専用線の高島線、大船駅では東海道貨物線に接続し、根岸駅からは神奈川臨海鉄道本牧線が分岐している。根岸線内では電気機関車による牽引となっている。2014年3月改正時点では、定期貨物列車の運行区間は桜木町駅 - 根岸駅間である。根岸駅に隣接するJXTGエネルギー根岸製油所にて精製された石油類を輸送するタンク車列車が中心であり、定期列車が11.5往復、臨時列車が下り8往復・上り5往復設定されている。発送先は、東海道貨物線川崎貨物駅、中央本線八王子駅・竜王駅、しなの鉄道線坂城駅、高崎線倉賀野駅、東北本線宇都宮貨物ターミナル駅である。このほか、根岸駅から分岐する神奈川臨海鉄道本牧線横浜本牧駅発着のコンテナ列車が、東京貨物ターミナル駅まで1日1往復運行されている。また、総合車両製作所（旧・東急車輛製造）で製造された鉄道車両の甲種輸送列車が、横須賀線逗子駅から当路線を経由して不定期に運行されることがある。なお2011年3月11日の東日本大震災発生直後には、被災地となった東北地方太平洋側の地域に向けて、根岸駅から臨時の石油輸送列車が当路線を経由して運行された。当時、東北本線が不通であったため、郡山駅へは磐越西線経由で、盛岡貨物ターミナル駅へは奥羽本線・青い森鉄道線・いわて銀河鉄道線経由での運行となった。運行期間は同年3月18日から4月19日までの約1か月間であった。
東神奈川駅より京浜東北線経由で横浜線からの直通電車が運転されている。かつては磯子駅・大船駅までの運行が中心であったが、京浜東北線の増発に伴い、現在では日中は桜木町駅折り返しが基本となっており、朝夕のラッシュ時の一部電車が磯子駅・大船駅まで運行される程度である。平日は朝6時台（桜木町駅折り返し）と7時台から夜19時台（大船発最終は21時台後半。）の運行である。また大船駅発着の電車の一部は、車両が所属する鎌倉車両センターへの入出庫を兼ねている。土曜・休日には、横浜線から根岸線を経由して横須賀線の逗子駅まで直通する電車が横浜線内快速・各駅停車あわせて2往復あったが、2007年3月18日のダイヤ改正で横浜線内快速の電車1往復のみが残り、2008年3月15日のダイヤ改正で湘南新宿ラインの増発に伴いすべて廃止となった。なお、京浜東北線とは異なり、女性専用車は導入されていない。
京浜東北線とは一体的な運行が行われ、桜木町駅・磯子駅・大船駅で折り返しが行われる。日中時間帯においては約5 - 10分間隔での運転となっている。旅客列車の運転間隔が広がる部分があるのは、桜木町駅 - 根岸駅間で後述する貨物列車が盛んに運行されているためであり、この部分では貨物列車の通過を挟んで10分間隔となっている。京浜東北線の大宮方面直通・横浜線の八王子方面直通とも、快速電車が運行されているが、根岸線内は各駅に停車する。2010年（平成22年）4月19日より、平日朝の一部時間帯の大宮方面行き電車の3号車が女性専用車となった。
朝7時台の磯子発大船行き（平日は2本、土曜・休日は1本）を除いて、全列車が京浜東北線または横浜線と直通運転している。保安装置は、開業当初はATSであったが、直通運転を行う京浜東北線のATC導入区間延長に伴い横浜駅 - 桜木町駅間はATCとなった。桜木町駅 - 大船駅間は貨物列車が運行されているため、ATC・ATS-S形併設となっていたが、2009年8月14日、デジタルATC（D-ATC）を京浜東北線と同時に導入した。なお、桜木町駅 - 大船駅間は貨物列車牽引の機関車など、デジタルATC非対応車が残るため、ATS-S形はそのまま存続させている。
建設計画時は根岸・磯子・杉田など根岸湾沿岸の工業地区のための貨物輸送が主な目的とされていたが、実際には沿線人口の急増もあって、旅客列車中心のダイヤ編成となっている。
奄美群島は南西諸島の中北部に位置し、最北の奄美大島から南端の与論島までの約200kmの海上に連なる島嶼群である。国土地理院発行の陸図に長らく「奄美諸島」と表記されていたが、2010年2月15日の第72回「地名等の統一に関する連絡協議会」において、「奄美群島」は決定地名として採用された。奄美群島で最大の面積を有する奄美大島は、古生代のジュラ紀から白亜紀にかけて形成された基盤岩類が露出している。そのほとんどは侵食により急峻な山地形を成しているが、標高300m付近に平らな地形を有し、さらに島南西部の山頂部（標高約300mから450m）には起伏の小さい突起状の地形を確認できる。これらは準平原（侵食小起伏面）といわれ、南西諸島の一部の島も準平原が形成されている。島の海岸線は入り組んだ構造をしたリアス式海岸で、周囲の海岸には現生サンゴ礁が見られる。島北東部の笠利半島は上述した奄美大島主体部の地形と異なる。海岸段丘が広く分布し、厚さ約40mの海洋堆積物で構成されている。喜界島は数段に及ぶサンゴ礁段丘で形成されている。島の海岸線沿いに完新世に形成されたサンゴ礁段丘が4段も確認でき、また北西に向かうにつれて、この段丘面の高度は小さくなる。奄美群島の東部に位置する喜界島は海溝側に最も近く、フィリピン海プレートの沈み込みで隆起が激しい。実際に喜界島の隆起速度は琉球列島内で最大で、約7千年間で10m以上も隆起している。この島で発生した隆起運動は大地震による地殻変動によるものと考えられる。徳之島は火成岩を主に基盤とし、島最高峰の井之川岳の標高は645mに達する。それに対し沖永良部島・与論島全体は隆起サンゴ礁の段丘で形成され、最高標高は約200mと比較的低く、河川も発達していない。