アメリカミシガン州の21億年前に堆積した縞状鉄鉱床から、最古の真核生物とされる化石が見つかっている。これはグリパニア（Grypania）と名づけられた幅0.5mm長さ2mmのリボン状の化石で、単細胞としては非常に大きなサイズであることから真核生物の化石とされている。当時の「縞状鉄鉱床が生成する＝酸素が存在する」海域に真核生物が生息していた。真核生物は細胞内のミトコンドリアを使って酸素呼吸を行い高効率でエネルギーを作り出すことが出来た。
海洋中の二酸化炭素は光合成によって急速に失われ、これを補うように大気中の二酸化炭素を溶かし込んで消費した。このため温室効果を減少させ気温が急激に下がったと考えられる。約22億年前に起きたヒューロニアン氷期は、温室効果の喪失によって起きたと考えられている。
最初の光合成の証拠として西オーストラリアの27億年前の地層から発見されたストロマトライトの化石がある。ストロマトライトは右写真のように現在も特定の海岸などでも見られるが、光合成を行うシアノバクテリア（真正細菌）のコロニーが層状に発達してできた構造。シアノバクテリアの光合成は水中に光が十分届く浅瀬で行われるが、それによって発生した酸素分子は海水に溶解して大洋中に拡散する。酸素分子は強力な酸化剤なので、海中に溶解している Fe²⁺ を酸化して（電子を奪って） Fe³⁺ に変える。Fe³⁺ は水に対する溶解性に乏しいため（水酸化鉄参照）水酸化第二鉄Fe(OH)₃として海水から析出して沈殿した。水酸化第二鉄が脱水すると赤鉄鉱Fe₂O₃となる。ストロマトライトは海岸に分布しているので、鉄イオンの酸化は浅海から徐々に進んでいったと考えられる。縞状鉄鉱床の産出状況からも、陸地から遠くない大陸棚や大陸斜面の広い範囲に沈殿したと推定されている。
生物が進化して生物による光合成が始まった。光合成は光エネルギーを使って二酸化炭素と水から有機物を合成する反応であるが、副産物として酸素分子を生成する。光合成で作られた酸素はそれまで地表には存在しなかった物質で、酸化剤として当時の海洋環境を一変させ縞状鉄鉱床を生成した。また当時の一般的な生物にとって酸素は細胞の構成物質を破壊する有毒物質である。徐々に増えてゆく酸素に対して、従来タイプの真正細菌や古細菌類は酸素の少ない場所に生息地を移すか、酸素への適応を迫られた。海中の酸素が徐々に増えてゆくこの時期に、酸素の存在する環境に適応した真核生物が生まれた。
30億年以上前の大気組成は二酸化炭素と窒素が主成分で、酸素は太陽の紫外線で水が分解してできる光化学反応に限られていた。その生成量は僅かで、火山ガスに由来する一酸化炭素などで完全に消費された。既に海は形成されていたが、海水に溶存している成分は今と全く異なっていた。当時の海中には2価の鉄イオン（Fe²⁺）が大量に存在したが、このイオンは水への溶解度が高いので安定した水溶液となっていた。生物の存在については、西オーストラリアのピルバラ地方35億年前の地層から、東京工業大学の上野雄一郎助手らが世界最古の原核生物（バクテリア）の化石を発見したが、この生物は嫌気性で、光合成能力を持っていなかった（アルゴマ型はこの時代の海中に堆積した）。
塩尻駅ではなく松本駅が運用上の基点となっている。松本駅を始発・終着としている中央本線方面の列車は、上下線とも中央東線方面の列車のほうが多く、高尾駅や立川駅まで運行される列車もある。また、中央西線方面の列車は多くが中津川駅まで運行されている。これらの関係で、松本駅 - 塩尻駅間は特急も含めて比較的多くの列車本数が設定されている。一方、篠ノ井駅を起点・終着としている列車はなく、すべて信越本線の長野駅まで（から）乗り入れる。長野駅を起点・終着としている列車も大半は中央東線方面と直通運転している。一部は松本駅までのものもある。篠ノ井線のみを走行する列車は2015年3月14日のダイヤ改正時点で塩尻発松本行きが3本、松本発塩尻行きと聖高原発松本行きがそれぞれ1本、松本発明科行きが1本となっている。快速列車には長野駅または松本駅 - 飯田線飯田駅を結ぶ「みすず」（篠ノ井線内で快速扱いとなるのは松本発の1本のみであるが各駅に停車）や、中央本線上諏訪発長野行き下り1本、大糸線信濃大町発上諏訪行き上り1本（篠ノ井線内は各駅に停車）、長野発松本行き上り3本（3本とも安茂里駅・今井駅を通過するが、うち1本は姨捨駅・冠着駅も通過）、松本発長野行き下り1本（冠着駅・姨捨駅・今井駅・安茂里駅は通過）、塩尻発長野行き下り1本（途中村井駅・松本駅・田沢駅・明科駅に停車、篠ノ井駅は通過。平日のみ運転）がある。これらは基本的に211系・E127系（長野総合車両センター所属）が使用されている。313系（JR東海神領車両区所属）も、松本駅発着の中央西線方面の列車において2両または4両で使用されるほか、飯田線直通（岡谷駅経由）の普通列車にも1往復に3両で使用されている。このため、松本駅 - 塩尻駅間はJR東日本の路線としては珍しく、転換クロスシート車両の普通列車が多く乗り入れる区間となっている。2013年3月16日のダイヤ改正より、塩尻駅 - 長野駅間の一部の列車でワンマン運転が開始された。ワンマン運転の際に使用されるのはE127系のみである。