近世、江戸時代の有力な大名としては、上越市から会津若松、さらに米沢に移った上杉氏、保科正之を家祖とする会津松平氏、米沢から仙台へ移った伊達氏、水戸から秋田へ移った佐竹氏、盛岡の南部氏などがある（山形の最上氏はお家騒動で後に改易され、近江で五千石の旗本となる）。江戸時代後期の天明年間の地球的な気象変動などにより起こった天明の大飢饉では、10万人以上の餓死者、疫病者を出し、多くが無宿者となり江戸へ流入した。その中で、米沢藩主上杉鷹山などは藩財政の改革を行って飢饉に抗した。天保の大飢饉でも東北地方は多くの死者を出した。江戸幕府が倒れて後、幕末の慶応4年/明治元年（1868年）には北陸地方東部の北越戦争から続く会津戦争など戊辰戦争の舞台となり、東北や北陸東部の諸藩は奥羽越列藩同盟と呼ばれる軍事同盟を結んで新政府軍より身を守ろうとしたが、結局敗れた。この報復として、同盟に参加した藩は所領を大幅に減らされ、その経済は壊滅同然にまで追い詰められた。その結果北海道へ家臣団（武士階級、知識階級）などを移住させ、札幌などの諸都市を開拓するなど、北海道の開拓史に大きな功績を残した。新政府側につき、奥羽越列藩同盟を離脱した秋田藩・弘前藩などもまた、戊辰戦争で多くの犠牲を払い莫大な出費をしたため困窮は避けられず、同様に北海道に多くの移住者を出した。一方で庄内藩は最後まで幕府側として戦ったものの、西郷隆盛の意向もあり比較的軽い処分で済んでおり、米沢藩もまた維新後に積極的に新政府に協力することで軽い処分となった。
平安時代末期から中世初期には、北上川流域（奥六郡）を中心として奥州藤原氏が栄え、平泉が平安京に次ぐ日本第二の都市になるまで発展する。奥州藤原氏は陸奥・出羽両国の院領や摂関家荘園の租税を徴することで財力を蓄えたとみられる。しかし、源義経を匿ったかどで、鎌倉政権側に侵略の口実を与えてしまい、源頼朝により滅ぼされた。その後坂東出身を中心とする武士団が多く配置されるとともに、北条氏の所領が広く設定されたが、一部には津軽地方の安藤氏のように在地領主と見られる豪族も勢力を維持した。安藤氏は北条得宗家から蝦夷代官に任命され、北東北から北海道を支配したといわれている。安藤氏の本拠地十三湊は交易で栄え、日本有数の都市となった。しかし、室町時代には安藤氏は南部氏との抗争により津軽を追われ秋田地方に移り、十三湊の繁栄は失われた。鎌倉幕府滅亡後の後醍醐天皇の建武の新政では、奥州平定のために北畠顕家が派遣され、陸奥国府を支配した。南北朝時代に入ると南朝の北畠顕家・北畠顕信と北朝の石塔氏・吉良氏・畠山氏・斯波氏が激しく争い、最終的に北朝の斯波家兼が奥州管領として勝利した。その後斯波氏が奥羽両国に勢力を扶植するが次第に衰退したため、関東を統治した鎌倉府に統合された。鎌倉府は統治能力の強化のため奥州南部に篠川公方・稲村公方を配置するが、室町幕府と鎌倉府の対立の中で、斯波氏（大崎氏・最上氏）は室町幕府から奥州探題や羽州探題に補任される。さらに有力国人は鎌倉府と対立するため、室町幕府直属の京都扶持衆となる例も多く見られた。戦国時代には山形の最上氏、伊達の伊達氏、秋田の秋田氏、三戸の南部氏、会津若松の蘆名氏などが割拠した。関ヶ原の戦いの後、常陸国水戸の佐竹氏が安東氏の後裔の秋田氏と入れ替わりに秋田に転封された。特に伊達政宗は戦国末期に急速に勢力を拡大し、奥羽六十余郡の半分を影響下に置いた。なお、出羽国の内陸部（奥羽山脈の西側に連なるいくつもの盆地群）は盆地を中心とする領域支配を確立し、東北地方の戦国時代の主役を担った。それは、職業歩兵（軍人）である足軽が兵農分離されていなかった戦国初期においては、組織できる兵力に限界があり、盆地程度の広さが領国支配に適していたためで、出羽国内陸部の盆地の諸勢力は、陸奥国領域にも積極的に攻勢に出た。
本路線は、旧日本鉄道建設公団（鉄建公団）が、それぞれ「主要幹線及び大都市における鉄道」（CD線）として建設し、日本国有鉄道（国鉄）による運行・経営が予定されていた、岡多線の大部分区間（岡崎 - 新豊田 - 瀬戸市）と、瀬戸線（せとせん）の一部区間（瀬戸市 - 高蔵寺間）を、それぞれ建設・開業した区間である。そのうち、岡崎 - 新豊田間は、1976年に国鉄線として開業し、1987年の国鉄分割民営化で東海旅客鉄道（JR東海）に継承されたものの、日本国有鉄道経営再建促進特別措置法（国鉄再建法）により特定地方交通線に指定されたため、高蔵寺延伸とともに第三セクター鉄道に経営転換した区間である。なお同区間は、特定地方交通線の中では唯一、第三セクター転換前に電化されていた路線である。一方、新豊田 - 瀬戸市間は、岡崎 - 新豊田間と同じく、旧鉄建公団がCD線として建設したものの、開業直前の1984年に建設が凍結された、岡多線の一部区間である。旧瀬戸線区間の瀬戸市 - 高蔵寺間は、岡多線岡崎 - 新豊田間と同じく、旧鉄建公団がCD線として建設したものの、開業直前の1984年に建設が凍結された区間である。岡多線は岡崎から新豊田・瀬戸市を経由し多治見まで至る計画の路線だったが、このうち開業できたのは、名古屋近郊の大環状線として瀬戸線との一体運用が想定されていた岡崎 - 瀬戸市間に留まった（詳細は後述）。なお、岡多線の特定地方交通線指定・新豊田以北の建設凍結以前から、岡多線岡崎 - 瀬戸市間は「岡多・瀬戸線」として、瀬戸市駅で接続する瀬戸線とともに名古屋近郊の東海道線岡崎 - 稲沢間をバイパスする大環状線として、ともに一体運用される高規格新線として計画されていた一方、未成線に終わった岡多線の瀬戸以北多治見方面は線路規格の低いローカル線として計画されていた。国鉄時代に複線の鉄道路線として整備されたため、単線区間の東側にもう1線分の用地があらかじめ確保されており、トンネルなどもそれに準じた規格で作られているため、比較的容易に複線化が行える構造となっている。しかし愛環発足から10年以上経過してから新設された貝津駅・愛環梅坪駅に関してはプラットホームが1面1線の片面ホームで作られているため、複線化の際には線路の増設に加えてもう1つホームを新設し、2面2線の相対式ホームとする必要がある（後節も参照）。また、愛環発足時に新設された大門駅に至っては複線化用路盤上にホームが設置されているため、同駅周辺の複線化は容易ではない。また普段使われていない東側の用地は、橋の更新工事などを行う際の仮線を敷く際に利用されることがある。