普通列車は長岡駅でほぼ運転系統が分断されている。長岡駅 - 新津駅間は1時間に1本程度であるが、朝夕は本数が多く設定されている。新津駅 - 新潟駅間は区間列車も多数運行されており、日中は1時間に3本（約20分間隔）、朝・夕のピーク時には磐越西線直通列車も含めて約5分間隔で運行されている。新潟駅から白新線・越後線と直通運転する列車も存在する。直江津駅 - 柏崎駅 - 長岡駅間はおおむね1 - 2時間に1本程度の運行である。長岡駅の南隣の宮内駅からは上越線が乗り入れ、全列車が長岡駅まで運転されるほか、一部は新潟方面まで直通する。直江津駅 - 犀潟駅間には北越急行ほくほく線から乗り入れる列車もあり、一部列車は黒井駅に停車する。また、朝には柏崎駅・柿崎駅からえちごトキめき鉄道妙高はねうまラインへの直通列車がえちごトキめき鉄道車両で運転されており、間合い運用として夜間に直江津駅 - 長岡駅間で信越線内のみの運用も行われている。直江津駅 - 長岡駅間・新津駅 - 新潟駅間のE129系を使用する2両編成の列車では一部を除きワンマン運転が実施されている。無人駅となっている黒井駅・土底浜駅・潟町駅・上下浜駅・米山駅・笠島駅・青海川駅・鯨波駅・茨目駅・北条駅・越後広田駅・長鳥駅・塚山駅・越後岩塚駅・前川駅では先頭車両の一番前のドアのみが出口で運賃は車内精算となる。新津駅 - 新潟駅間は全駅が有人駅のためすべてのドアより乗降できるが、営業時間外の乗降・精算は無人駅に準じる。
この区間は日本海縦貫線の一部としてかつては長距離運行する優等列車が多数設定されていたが、列車の系統分割・再編・廃止などによって徐々に縮小され、北陸新幹線金沢開業に伴う特急「北越」の廃止（「しらゆき」等へ再編）が行われた2015年3月14日以降は、新潟県内都市間を相互に結び、上越・北陸の各新幹線と接続する列車として特急と快速列車、ローカル輸送を担う列車として普通列車が主に運行されている。また、近年高速バスとの競合が激しくなっており、新潟駅 - 長岡駅間の格安回数券の発売や快速の運転などでサービスアップなどを図っている。なお、長岡駅 - 新潟駅間は上越新幹線が並行しているが、経由地が異なることもあり、相互に補完し合う関係となっている。
この区間は北陸新幹線開業以降も引き続きJR東日本が運営している。しかし、篠ノ井駅 - 長野駅間で完結する列車は定期設定がなく、すべてが篠ノ井線およびしなの鉄道しなの鉄道線・北しなの線との乗り入れ列車である。このため運転系統上は篠ノ井線としなの鉄道線の延長のようになっており、この区間の列車は、直通先の「篠ノ井線」「しなの鉄道線」と案内されることが多い。優等列車は篠ノ井線から乗り入れる名古屋からの特急「しなの」が走っている。普通・快速列車は基本的には長野市周辺の輸送を担っているが、特に篠ノ井線直通列車は、その先飯田線へ直通する「みすず」をはじめ、中央本線方面へ向かう列車を中心に長距離運転するものが多く、特急と同じく長野県内の主要都市間輸送を担っている面もある。
東京 - 長野間の都市間輸送はすでに北陸新幹線の開業および信越本線の分断によりその役割を終えており、高崎駅 - 横川駅間は臨時列車を除けば各駅に停車する普通列車のみの運行で、ほぼ群馬県内のローカル輸送に徹した形となっている。なお、この区間は新幹線開業後も一貫して「信越線」と案内されている。高崎駅 - 横川駅間で1時間に1 - 2本程度の普通列車が運転されている。この区間のラインカラーは黄緑色になっている。ワンマン運転は行っていない。列車によっては後述の軽井沢方面への代替バス（ジェイアールバス関東が運行）に接続している。
大岡利右衛門は、天保3年1月4日（1832年2月5日）に近江国野洲郡比留田村（後の中里村、現滋賀県野洲市比留田）で大工を営む傍ら農業を行う、大岡宇八と妻浪の第三子として誕生した。利右衛門が育った近江湖南地域では少年時に近江天保一揆が起こり、米作りに生きる村人約４万人が自分達の生活を守るために命がけで立ちあがった。利右衛門は近江天保一揆で農民が立ち上がったことに、深く感動していたことが伝えられている。幼い時から農業に興味を持ち、農業の改良、新しい米づくりを夢見ていた。安政4年（1857年）、利右衛門は分家し僅かだが自分の田を持つと、米の生産を増やすための様々な工夫と試みを一人で行い始めた。最初に、分散している田を一カ所に集める為、近隣農家と土地の交換交渉を行い、実験の成果が一目でわかり、かつ農の効率を求めた。「良い米が作れた」「沢山の米が収穫できた」などの話を聞くとそこに行き、耕作方法を聞くと共に、稲の品種改良のためには籾種の交換選択が必要なことから、各地の良い籾を分けてもらい自分の田で育てた。明治14年（1881年）には、利右衛門の農業改良への実績が認められ、野洲郡北部試作人を命じられた。利右衛門は、実りが多い稲ができた時には自作の籾を農家に分けた。近隣に分けた量は明治17年（1884年）には、43ヶ村200余人の農家で27石にのぼったと伝えられる。利右衞門が作り出した品種としては「大岡」「新日光」などがある。この後、多くの品評会で利右衛門が作った米は様々な賞を得た。江戸時代、田植えは稲をばら撒き行われ、今のような苗を規則正しく植える「正条植え」はほとんど行われていなかった。利右衛門は稲がよく育つためには日光・風通しが大事だと考え、毎年「正条植え」を続けた結果、明らかに収穫に差があることがわかり、正条植えを農民等に奨励し、自ら指導を行うと共に普及に努めた。滋賀県では明治後半には多くの田で正条植えが行われるようになった。また、田を取り巻くように植えられた畦地の木については、稲への日光を遮るものとしての伐採と代わりに畦地での大豆栽培を推奨した。昔から琵琶湖の増水による水害に度々襲われた湖岸地域に対しては、水害に強い雑穀の育成を指導した。利右衞門の多くの農家がより良い収穫が得られるように努める姿勢が評価され、明治29年（1896年）4月緑綬褒章を受章した。利右衛門は、より良い米作りと豊かな農村作りに一生をかけ、大正元年（1912年）死去した。