基本的な運行は、名城線に直通し、名古屋港駅 - 大曽根駅間となっている。朝夕のラッシュ時は名城線の大曽根駅以東との直通運転も多くある。そのため、各駅の時刻表及び発車標には、「名城線右回り」や「ナゴヤドーム前矢田」の行先表示も設定されている。また、早朝と夜間は名古屋港駅 - 金山駅間での折り返し運転となる（車両の方向幕の行先表示は「金山（名城線金山のりかえ）」）が、この場合、金山駅での栄駅・大曽根駅方面への名城線の乗り換えが配慮されている（最終の金山行きは栄駅・大曽根駅方面の列車には接続せず新瑞橋駅行きの列車にのみ接続する）。線内折り返し運転を行う時間帯では、金山駅に終着した名港線電車は金山駅の東別院寄りの引上線に入った後、おおむね金山駅1番線に到着する名城線左回り電車に合わせて2番線に同時入線する（対面乗換え）。ナゴヤドームにて中日ドラゴンズの試合や各種イベントが行われる際は、通常大曽根駅止まりの列車もナゴヤドーム前矢田駅まで臨時に延長運行される。また、毎年海の日に開催されるみなと祭り花火大会などの多客時は金山 - 名古屋港間に臨時列車が運行される。なお、名城工場が存在していた2004年までは、みなと祭の日に限り、名古屋港発市役所駅行きの臨時増発列車も運転されていた。同工場への引込み線を利用して折り返していたので、同工場が閉鎖されてからは運行されていない。また、正月三が日は、2011年まで名城線方面の列車を増発するため、昼間時は金山 - 名古屋港間の折り返し運転となっていたが、2012年以降は通常の土曜・休日ダイヤで運転されることになった。大晦日から元旦にかけては終電後に終夜運転を行う（30分間隔、名港線内折り返し。2003年大晦日までは20分間隔、2008年大晦日までは25分間隔だった。）。運転間隔は、平日朝ラッシュ時は5分間隔、平日・休日とも昼間は10分間隔である。以前は昼間時間帯で8分間隔で運転されていたが、市営交通事業中期経営健全化計画（平成14年度 - 平成17年度）に基づき、2004年の名城線環状部開業に合わせて10分間隔に改められ、減便となった。なお、基本的に地下鉄は台風による影響を受けないが、名港線は台風接近時に高潮が警戒される場合、運転見合わせや名城線との直通が中止になることがある。なお、平成21年台風第18号が来た際は高潮による被害が出る恐れがあったため、始発から運転を見合わせた。名港線からの金山行き最終列車は同駅の引上線では夜間滞泊を行わず、最終の名古屋港行きとして名古屋港駅へ戻り、そこで夜間滞泊となる。
コモンレール式は、「蓄圧式」とも呼ばれ、燃料の加圧はサプライポンプが行い、噴射制御はECUによる電磁式インジェクタが行う、分業方式の燃料噴射方式である。全気筒に対し共通の金属製の頑丈なパイプ（レール）に一旦高圧燃料を蓄えることからその名がある。噴射制御は加圧とは別に各インジェクタで行われるため、ポンプ側は無理なカムリフトや噴射制御から解放された。以上のような方式であることから、この方式における燃料ポンプはサプライポンプと呼び、噴射ポンプとは呼ばれない。最新の排出ガス規制に対応したディーゼルエンジンにおいて、噴射量・噴射タイミングともに精密に制御を行い、自在に燃焼を制御する方式として主流になっている。ディーゼルエンジンの歴史にコモンレールの名前が現れたのは、1910年代終盤のボッシュによるものが最初であるが、当時の開弁圧は90 bar程度と低く、インジェクタの開弁も圧縮空気によるもので、そのためのエアーコンプレッサーを必要とした。1,800 barを超える開弁圧と電子制御によるソレノイドやピエゾ素子を用いたインジェクタを備えた現在のコモンレールとは文字通り隔世の感があるが、基本原理は同じである。近代的なコモンレールは、1960年代後半にスイスのロベルト・フーバー（英語版）がその原型を開発、スイス工科大学が中心となり研究が進んだ。環境対策としての現在のコモンレール方式を初めて実用化したのは日本のデンソーであり、伊藤昇平、宮木正彦を中心として、ECD-U2という名称で開発され、1995年末に日野・ライジングレンジャーに搭載された。マニエッティ・マレリでは1990年より、フィアットリサーチセンター（伊語版）、エラシス（伊語版）と共にコモンレール方式の開発を続けていたが、フィアットの経営不振により該当技術と特許は1994年にボッシュに売却された。その後1997年にボッシュが実用化し、アルファロメオ・156 2.4 JTDに乗用車用として初搭載され、翌1998年にはメルセデス・ベンツが OM611 エンジン（独語版・英語版）をC200 CDI/C220 CDIとE200 CDI/E220 CDIに搭載した。現在の電磁式インジェクタは開弁行為のみを受け持つため、従来の噴射方式と比べ噴射時期の自由度が大幅に向上し、また電子制御技術の向上によって1行程中にパイロット、プレ、メイン、アフター1、アフター2、ポストのような6分割噴射も可能となっており、燃料消費を抑えつつ、燃焼室内の急激な温度と圧力の上昇を防ぐことができるなど、NOₓの発生を抑え、かつ、PMも少ない、完全燃焼のための理想的な噴射を実現する制御が可能となった。ただし、超高圧噴射のため、サプライポンプ・インジェクター共、噴射ポンプ式以上の内部潤滑性能が要求されるが、脱硫の進んだ現在の軽油では（必要な潤滑性能を保つ為の添加剤は使用しているものの）度々潤滑不足が生じ、通常運転の範囲でも故障が生じるケースがある。特に灯油分の多い寒冷地用軽油を使用する機会の多い車両に多い。近年の車種は排出ガス浄化のための酸化触媒やディーゼル微粒子捕集フィルターを装備しており、定期的にこれらに蓄積したススを焼き払う必要があるが、専用の燃料添加弁を持たないシステムの場合は意図的にアフターファイアーを発生させ排気シャッターを絞る事で燃焼機構を作動させる。これらの場合、硫黄分の多い従来の軽油や、灯油（炭素）分の多い不正軽油を使用すると短時間に故障を招く原因となる。インジェクターには製造上避けられない個体差があるが、その内容は本体に印字されており、故障整備などでインジェクターを交換した場合、その特性をエンジン制御コンピューターに記憶させる必要がある。