当線（武蔵野南線）の鶴見駅 - 新鶴見信号場間は東海道本線支線（品鶴線）複々線区間のうちの貨物線側との重複区間である。この区間には定期列車として「湘南ライナー」の品鶴線・東海道貨物線を経由する列車と、「おはようライナー新宿」「ホームライナー小田原」の全列車が経由している。このほか、東海道線川崎駅付近での線路支障などダイヤ乱れの際はサンライズエクスプレスや、東海道線・横須賀線・上野東京ライン・湘南新宿ラインの列車が経由することがある。なお、2019年度より、相模鉄道相鉄新横浜線を経由して相模鉄道本線との直通列車も運転される予定である。
1988年の京葉線南船橋駅 - 新木場駅間の暫定開業前まで、武蔵野線は、全列車西船橋止まりであった。新木場駅まで延伸した際、武蔵野線は京葉線への直通運転を開始した。以後は、運行されるほとんどの列車は、京葉線へ直通運転を行うが、朝夕の一部列車は西船橋行きが設定されている。
2013年3月15日まで東京駅直通列車は快速として運行されていた。この運行形態は京葉線の新木場駅までの暫定開業時から行われ、葛西臨海公園駅を通過していた。快速と案内されたが通過運転は京葉線内のみで行い、武蔵野線内は各駅に停車した。2002年12月1日ダイヤ改正までは平日と土休日で京葉線内の停車駅が異なり、土休日の快速は「むさしのドリーム」の愛称が付いていたが、この改正で愛称が廃止された。東京駅 - 蘇我方面間を結ぶ京葉線快速とは停車駅が異なるため、京葉線内ではのちに「武蔵野快速」と案内された。2010年3月改正で日中1時間の本数が2本から3本に増発され、その後は1時間に日中は3本、朝夕は3 - 5本運転された。一部列車は京葉線の新浦安駅で、土曜・休日は葛西臨海公園駅で、それぞれ特急「わかしお」または「さざなみ」の通過待ちをした。2013年3月16日のダイヤ改正で、東京駅直通列車はすべて各駅停車に統一された。
武蔵野線は、日本国有鉄道（国鉄）が建設した貨物線で、同時に旅客用にも供用された首都圏の外環状路線である。神奈川県北部、東京都多摩地区、埼玉県南部、千葉県西部を結び、東京都心部から放射状に延びるJRの各路線との交点に乗換駅が設けられている。当路線は東海道本線方面と東北本線方面を結ぶ山手貨物線を迂回する貨物線として計画された。開業後当初は主に貨物列車が運行されていたが、沿線の人口増加に伴い旅客営業を行う府中本町駅 - 西船橋駅間では旅客列車の運行が増加した。実質上、東北・上越方面と東海道方面を結ぶ山手貨物線の迂回路線として建設、管理されている路線のため、武蔵野線北朝霞・新座方面と東北本線与野・大宮方面を結ぶ支線が直進線路となっている。武蔵野線の名称にふさわしく、武蔵野地域・武蔵野台地を貫通して各都市を結ぶ路線であるが武蔵野市は通過しない。旅客輸送としては東京地区の電車特定区間の一路線である。ラインカラーはオレンジバーミリオン（■）で、旅客案内や運行される車両の車体色に使用されている。本路線は、直通運転を行う京葉線、府中本町駅で接続する南武線、その西側を通る横浜線とともに東京都心と郊外を結ぶ他社線との接続駅を多く持つ「東京メガループ」の一つに指定されている。貨物輸送としては、東海道貨物線と東北貨物線を結ぶほか、短絡線を介して中央本線・東北本線・常磐線とも接続し、西船橋駅から京葉線を介して千葉貨物駅とも直結し、首都圏鉄道貨物輸送の大動脈となっている。線内に梶ヶ谷貨物ターミナル駅、新座貨物ターミナル駅、越谷貨物ターミナル駅の3つの貨物駅が設置されている。
1943年（昭和18年）12月、20歳の三國は大阪で働いていたが、徴兵検査の通知が来て故郷の伊豆に戻り、甲種合格後、実家へ戻った。すると「おまえもいろいろ親不孝を重ねたが、これで天子様にご奉公ができる。とても名誉なことだ」という母の手紙が来た。しかし三國は、「戦争に行きたくない。戦争に行けば殺されるかもしれない。死にたくない。何とか逃げよう」と考え、同居していた女性とすぐに郷里の静岡とは反対の西へ向かう貨物列車に潜り込んで逃亡を図った。逃亡4日目に無賃乗車で乗り継いで山口県まで来たとき、母に「ぼくは逃げる。どうしても生きなきゃならんから」と手紙を書いた。親や弟、妹に迷惑がかかることを詫び、九州から韓国を経て中国大陸へ行くことも書きそえた。数日後、佐賀県の唐津呼子で船の段取りをつけていたところで憲兵に捕まり連れ戻された。しかし処罰は受けず、皆と同様に赤ダスキを掛けさせられて、静岡の歩兵第34連隊に入れられた。中国へ出征する前、最後の面会にやってきた母が「きついかもしれんが一家が生きていくためだ。涙をのんで、戦争に行ってもらわなきゃいかん」と言ったとき、三國は母親が家のために黙って戦争に行くことを息子に強要し、逃亡先からの手紙を憲兵隊に差し出したことを知る。家族が村八分になるのを恐れ涙を呑んでの決断だったという。中国大陸の前線へ送られた三國の部隊は総勢千数百人だったが、生きて再び祖国の土を踏めたのは20人から30人にすぎなかった。戦地へ向かう途中、三國は身体を壊し、熱病にかかる。10日間意識不明になり、死んだものだと思われて、工場の隅でむしろをかぶせられて放置されていたが、焼き場に運ばれいざ焼く番になってむしろをはがしたら目を覚ましたという。漢口の兵器勤務課に配属されてこの部隊で終戦を迎えた。