山線区間では5時台、23時台を除き終日15分間隔で運行されている。この区間には駅集中管理システムが導入されており、2001年10月1日改正からワンマン運転が開始された。。知立駅、豊田市駅、猿投駅を除く各駅にはホームに赤外線センサー が据え付けられ、列車発車直後の列車接触を検出するようになっている。梅坪 - 豊田市間には豊田線・名古屋市営地下鉄鶴舞線・犬山線直通列車が運行される。赤池方面からの電車と接続を図るため、知立行きの列車は豊田市駅にて5分から7分ほど停車する。このほか、土橋駅で夜間滞泊する豊田線の運用車両の出庫を兼ねて、土橋発豊田市行きが6時台と7時台に1本ずつ設定されている（休日は5時台と6時台）。なお、豊田スタジアムでのイベント開催時など、臨時に列車を増発する際には線内の交換設備をすべて使用して毎時6本（約10分間隔）の運転となる。山線の最長編成は地下鉄直通用の6両編成を除くと4両である（ただし、猿投駅に留置線がある関係で車両検査や疎開留置で山線全線に渡り6両編成の回送が運転されることがある）。平日日中と土休日は2両編成が中心だが、平日ラッシュ時は4両編成の運転となる。1993年7月29日には豊田市で開催されたイベントへの参加者輸送のため、豊田市駅まで本線から直通の快速急行が運転された（6000系などを使用）。名鉄標準の方向幕には通常三河線で使用される知立、猿投の他に豊田市も入っており、イベントなどで使用されることがある。
基本的に知立駅で運転系統が分かれるが、2008年12月27日改正から平日朝時間帯、2011年3月26日改正から平日夕 - 夜間帯に、山線 - 海線の直通運転が行われるようになった。ただし知立駅を境に列車番号が変わり、案内上はそれぞれ別の列車として扱っている。名古屋本線への直通列車は1本もない。現在は全て普通列車による運行となっているが、かつては海線、山線ともに本線直通特急が運転されていた（詳細は三河線特急を参照）。
三河線は知立駅でスイッチバックする線形となっているが、現在の知立駅は3代目で、三河知立駅が初代および2代目知立駅（「B知立」）に当たる（詳細は東知立駅を参照）。名古屋本線の知立駅（旧・愛電新知立駅。後の2代目知立駅の「A知立」）は三河線との交差地点上にあり、三河線の駅とは連絡橋で結ばれていた。1959年4月1日に現在の知立駅が開業し、それまでの知立駅は名古屋本線のもの（A知立）が東知立駅、三河線のもの（B知立）が三河知立駅に改称された。同時に新しい知立駅への新線が開通し、現在の線形となった。貨物列車のため従来の線路も残されたが、貨物列車廃止後は廃線となり、今でも複雑に入り組んだ連絡線の廃線跡がかなり残っている。
『鉄道要覧』による起点は猿投駅だが、1941年の名鉄合併時点では蒲郡駅が起点とされていた。これは1936年の三河鹿島駅 - 蒲郡駅間（現、蒲郡線区間。当時は三河鉄道）の開通で蒲郡駅が東京駅に最も近くなったため、猿投（西中金）方面が「下り」になったものと考えられている。また、三河線は歴史的経緯（後述）により、距離を示すキロポストが2つ打たれている（三河知立駅起点と知立駅起点）。列車運行および旅客案内、列車番号の設定においては、碧南駅から知立駅および知立駅から猿投駅へ向かう列車が下り、逆方向が上りとなっている。
大半の電車が2号線（ラインカラー■赤）として運行されている。本線直通の広島駅 - 広電宮島口間の運転が基本だが、朝方を中心に荒手車庫からの出庫を兼ねた商工センター入口始発、さらに線内折り返し運転（広電西広島、JA広島病院前、広電廿日市の各駅発着）の列車も設定されている。以前は広電五日市発着の列車もあった。また、平日朝に「0号」として宇品線直通の広電本社前行が運行されている。宮島線内は、日中は9分間隔で毎時6本程度、朝のラッシュ時は最高3分間隔の毎時18本となる。終日、「ぐりーんらいなー(GreenLiner)」「GREEN MOVER」「Green mover max」などの愛称のついた路面電車タイプの3両連接車、5両連接車が使用されている。現在は全車両が路面電車タイプの車両だが、かつては、線内折り返し運用専用に郊外電車タイプの車両（高床車）が在籍しており、各駅のプラットホームも鉄・軌道の直通運転に使われる路面電車用の低いものと、高床車用の高いものの2つがあった。高床車が運行されなくなった1991年（平成3年）8月8日以降、高いプラットホームはほとんどの駅で撤去されたものの、一部の駅に残っている。正月三が日の昼間時間帯においては従来の2号線（広島駅 - 広電宮島口）はやや減便されるが、広電西広島・商工センター入口 - 広電宮島口間の区間列車も多数運転される。また、宮島競艇開催時には商工センター入口 - 広電宮島口間の臨時列車が運転されることがある。かつては宮島競艇の開催もしくは場外発売が行われるすべての日に西広島 - 広電宮島口（もしくは競艇場前駅）まで運行され、運賃は無料だった。