東北新幹線
東北新幹線（とうほくしんかんせん）は、東京駅から新青森駅を結ぶ東日本旅客鉄道（JR東日本）の高速鉄道路線（新幹線）およびその列車である。
東北新幹線のうち東京都 - 盛岡市の区間は1971年（昭和47年）に全国新幹線鉄道整備法第4条第1項の規定による『建設を開始すべき新幹線鉄道の路線を定める基本計画』により公示された3路線のうちの一つである。同年4月に整備計画が決定され着工された。日本国有鉄道（国鉄）によって建設され、1982年に大宮駅 - 盛岡駅間が開業し、1985年には上野駅 - 大宮駅間が開業した。国鉄分割民営化後、東北新幹線は東日本旅客鉄道（JR東日本）の路線となり1991年（平成3年）に東京駅 - 上野駅間が開業した。
一方、盛岡市 - 青森市の区間は1972年（昭和47年）に、全国新幹線鉄道整備法第4条第1項の規定による『建設を開始すべき新幹線鉄道の路線を定める基本計画』により公示され、1973年（昭和48年）11月13日に整備計画が決定された5路線（いわゆる整備新幹線）の路線の一つである。国鉄の財政悪化により建設が一時凍結されたが、1991年（平成3年）に沼宮内 - 八戸間が標準軌新線（フル規格）、盛岡 - 沼宮内間および八戸 - 青森間が新幹線鉄道直通線（ミニ新幹線）として着工された。その後、全区間がフル規格で建設され、2002年（平成14年）12月に盛岡駅 - 八戸駅間が開業し、2010年（平成22年）12月に八戸駅 - 新青森駅間が開業した。これにより東北新幹線は整備計画の決定から39年を経て全線開業となった。2016年3月26日以降は、北海道新幹線との直通運転も実施されている。
全区間が東日本旅客鉄道（JR東日本）により運営されているが、整備新幹線として建設された区間は鉄道建設・運輸施設整備支援機構が鉄道施設を建設・保有している。
日本最長の鉄道路線（営業キロ713.7km、実キロ674.9km）であり、線内の白石蔵王駅 - 仙台駅間にある 25.7km の直線区間は、日本最長の線路の直線区間である。
ラインカラーは緑（）。JR東日本の新幹線では、全体の運行管理業務を本社内の新幹線運行本部が統括する一方、保線管理や駅営業業務等の現業機関については地方支社が新幹線と在来線の双方を一体管理する組織体系を取っている。東北新幹線における支社毎の管轄割り当ては以下の通り。
途中駅のうち大宮駅・仙台駅・盛岡駅には全列車が停車する。東京駅 - 盛岡駅間における各駅のプラットホームはフル規格16両編成対応（約400m）だが、いわて沼宮内駅 - 八戸駅間はフル規格12両編成（約300m）、七戸十和田駅以北はフル規格10両編成（約250m）までしか対応していないため、盛岡駅が16両編成列車が入線可能な駅の北限である。このため秋田新幹線の盛岡駅 - 秋田駅間が悪天候等で区間運休となった場合、盛岡駅で足止めされた（本来は秋田駅へ向かう予定の）「こまち」車両は盛岡新幹線車両センターへ臨時回送される。また同様の理由で、ミニ新幹線規格車両の停止位置に、旅客転落防止目的で設置されるローピング設備は、いわて沼宮内駅以北では省略されている。
福島駅の山形新幹線発着ホームは（東京方面から新青森方面に向かって一番左側にある）14番線1本のみとなっているため「つばさ」の上下同時発着はできず、かつ分割・併合相手となる「やまびこ」は上り（東京行き）の場合、当駅前後で下り本線と2度平面交差することとなり、ダイヤ作成上のネックとなっている。
盛岡駅の秋田新幹線ホームは外側の11番線（上り）および14番線（下り）を用いる（外側線と内側線とでは信号保安装置が異なるため「こまち」と「はやぶさ」の分割・併合は外側線のみで可能）。このため上り「こまち」は当駅構内北側で東北新幹線下り本線と平面交差する。
盛岡駅以北は沿線人口および利用客が少ないため、建設費削減の観点からホームを17両対応にする必要は無しと判断された。現在当該区間を運行する「はやぶさ」・「はやて」は10両編成のみであるが、2002年開業の盛岡駅 - 八戸駅間については臨時列車の入線も考慮して12両編成対応とされた。2010年開業の七戸十和田・新青森両駅についてはさらに短い10両編成対応に簡素化されたほか、新青森駅北側にある盛岡新幹線車両センター青森派出への回送線は単線で建設されたため、下り回送列車は北海道新幹線上り本線と平面交差することとなる。
八戸駅を除く盛岡駅以北の途中駅および、同駅以南において開業後に増設された駅（くりこま高原駅・水沢江刺駅・新花巻駅）は待避線の無い「棒線駅」となっており、ホームには可動式安全柵（ホームドア）が設置されている。
東北新幹線では、上越新幹線と同様に、開業時には在来線とほぼ同様の様式の駅名標が設置されていたが、JR東日本発足後に順次同社標準の駅名標に交換されている。
なお、東海道新幹線や山陽新幹線ではそれぞれに独自仕様の駅名標が設置されていたが（前者は1970年代中頃に、後者は国鉄末期より順次交換されたため、現存していない）、東北新幹線および上越新幹線では独自仕様の駅名標を採用しなかった。
東京から仙台・盛岡・新青森および北海道新幹線の新函館北斗方面にはおおむね1時間に1本の割合で運転されており、さらに那須塩原・郡山・仙台方面への区間列車が運転されている。停車駅に関してもおおむね固定されているが、時間帯によっては停車駅が増えたり減ったりする列車もある。全列車が東京駅を4の倍数の「分」に発車し、到着列車も1本をのぞいて4の倍数の「分」に到着する。
2016年3月26日現在
2018年3月17日現在
開業当初は東海道・山陽新幹線にならって、「ひかり」に相当する速達タイプを「やまびこ」、「こだま」に相当する各駅停車タイプを「あおば」としていた。
しかし、東北・上越両新幹線の列車名を運行区間別とする愛称の再編が行われ、まず1995年12月1日のダイヤ改正からは「あおば」のうち東京駅 - 那須塩原駅間の近距離列車を「なすの」として分離。また1997年3月22日の秋田新幹線開業時のダイヤ改正からは仙台駅 - 盛岡駅間の「あおば」は秋田新幹線「こまち」と併結されることになり、東北新幹線内は従来通り各駅停車で運転されるものの「やまびこ」に統合。そして秋田新幹線開業半年後の10月1日のダイヤ改正からは東京駅 - 仙台駅間の「あおば」が「やまびこ」に統合され、「あおば」の愛称は消滅した。
その後2002年12月1日の盛岡駅 - 八戸駅間延長開業時のダイヤ改正からは主に東京駅 - 八戸駅間を運行する最速達列車として「はやて」が新設され、八戸駅 - 新青森駅間延伸開業後の2011年3月5日からは「はやて」に代わる東京駅 - 新青森駅間の最速達列車として「はやぶさ」が新設された。現在はE5系の増備により「はやて」のほとんどが「はやぶさ」に置き換えられたが、盛岡駅以北のみを運行する区間列車についてはE5系であっても「はやて」の名称を用いている（「はやぶさ」は最高速度300 km/h以上で運行される列車にのみ用いるとされているが、盛岡駅以北は全て最高速度が260km/hの整備新幹線区間に当たるため）。
このように現在はおおむね行き先別に列車愛称が付されているが、東京駅 - 仙台駅の区間では最速達が「はやぶさ」、速達が「はやて」、準速達が「やまびこ」、各駅停車が「なすの」というように速度別の要素も含まれている。
「はやぶさ」は、主に東京駅 - 新青森駅・新函館北斗駅間で運行される東北新幹線最速達列車。使用車両はE5系・H5系。全車指定席。
2011年3月5日に運行開始。大宮駅 - 宇都宮駅間の最高速度は従前の240km/hから275km/hに、宇都宮駅 - 盛岡駅間ではE2系「はやて」・「やまびこ」の275km/hから300km/hへ引き上げられ、東京駅 - 新青森駅間を最短3時間10分で結んだ。
その後、2013年3月16日のダイヤ改正からは宇都宮駅 - 盛岡駅間の最高速度をさらに320km/hまで引き上げ、東京駅 - 新青森駅間の所要時間は最短2時間59分となり、初めて3時間を切った。これによって山陽新幹線のN700系「のぞみ」「みずほ」「さくら」の最高速度300km/hを抜き、国内最速の営業列車となった。一方、盛岡駅 - 新青森駅間は整備新幹線区間であるため、「はやて」と同一の260km/hに留まる。なお、2012年10月にJR東日本が発表した『グループ経営構想V〜限りなき前進〜』においては、「東北新幹線において320km/h運転区間のさらなる拡大を目指す」旨が盛り込まれている。
なお、最高速度320km/hでの運転を行うのは「はやぶさ」単独運転列車のみであったが、秋田新幹線直通の「こまち」（E6系。東京駅 - 秋田駅間）を併結した17両編成で運転される列車についても、2014年3月15日のダイヤ改正以降は最高速度320km/hでの運転に統一された。
特急料金は「はやて」・「やまびこ」よりも最大で510円（東京駅・上野駅・大宮駅 - 盛岡駅 - 新青森駅間各駅の場合）上乗せされる設定であり、理由としてJR東日本では増額分を「高速性や快適な居住性の付加価値分」と説明している。
北海道新幹線開業前は、仙台駅 - 新青森駅間運行の1往復のみ普通車自由席が設定されていたが、2016年3月26日の北海道新幹線開業後は、これを延長した仙台駅 - 新函館北斗駅間運行の1往復も含め全列車が全車指定席となった。
現在は、最高速度300 km/h以上で運行する区間を含み、かつ大宮駅 - 仙台駅間ノンストップの列車（仙台駅以北のみ運行する列車の場合は盛岡駅以北に乗り入れる列車）に「はやぶさ」の愛称が用いられている。
「はやて」は、主に東京駅 - 盛岡駅間と、盛岡駅・新青森駅 - 新函館北斗駅間で運行される速達列車。全車指定席。使用車両はE2系・E5系。
2002年12月1日の盛岡駅 - 八戸駅間延伸開業と同時に運行開始。大宮駅・仙台駅・盛岡駅・八戸駅には全列車が停車する。仙台駅 - 盛岡駅 - 新青森駅間では時間帯などに応じて列車ごとに停車駅が追加設定される。2009年3月13日までは、大宮駅も通過する仙台駅 - 東京駅間ノンストップ運転の列車が上り1本のみ運転されていた。2014年3月14日までは東京駅 - 仙台駅・盛岡駅間で秋田新幹線「こまち」（E3系およびE6系。東京駅 - 秋田駅間）を併結した16 - 17両編成で運転されていた（一部の盛岡駅発着列車は「はやて」単独の10両編成で運転）。
北海道新幹線開業前は、盛岡駅 - 新青森駅間の各駅に停車する区間列車も存在し、こちらには普通車自由席が設定されていた。「はやぶさ」運転開始後、盛岡行「やまびこ」の本数が減少したことを受け、仙台駅 - 盛岡駅間では、この区間の途中駅に停車する列車でかつこの区間内を利用する場合に限り、自由席特急券で普通車を利用できるようになった（これは「はやぶさ」にも共通の措置）。2016年3月26日の北海道新幹線開業後は、盛岡駅・新青森駅 - 新函館北斗駅間の列車には、自由席は設定されなくなり、全列車が全車指定席となった。
現在は、最高速度300 km/h以上で運行する区間が存在せず、かつ大宮駅 - 仙台駅間ノンストップの列車（仙台駅以北のみ運行する列車の場合は盛岡駅以北に乗り入れる列車）に「はやて」の愛称が用いられている。
2019年3月16日のダイヤ改正で東京駅 - 盛岡駅間の定期列車の設定が無くなる予定。
「やまびこ」は、東京駅 - 仙台駅・盛岡駅間で運行され、主に上野駅・大宮駅・宇都宮駅・郡山駅・福島駅と仙台駅 - 盛岡駅の各駅に停車する準速達列車。使用車両はE2系・E5系・H5系。また、一部列車には増結車としてE3系・E6系が併結される。
東京駅 - 仙台駅間の「やまびこ」は、東京駅 - 福島駅間で山形新幹線「つばさ」（東京駅 - 山形駅・新庄駅間）を併結し、日中を中心に白石蔵王駅にも停車する列車と、各駅停車（朝夕）または白石蔵王駅のみ通過する列車（主に日中）などがある。早朝および深夜には、那須塩原駅・郡山駅 - 仙台駅間および仙台駅 - 盛岡駅間の各駅停車区間列車も運行されている。
現在は、原則として郡山駅以北に乗り入れ、大宮駅 - 仙台駅間を走行する列車の場合は同区間がノンストップではない列車に「やまびこ」の愛称が用いられている。ただし、臨時列車で毎週金曜日（休日と重なる場合はその休前日）のみ運行される「やまびこ249号」は大宮駅 - 仙台駅間をノンストップ運転する。
「なすの」は、東京駅 - 那須塩原駅・郡山駅間で運行される各駅停車列車。朝の上り252号のみ小山駅→東京駅間で運行される。使用車両はE2系・E5系。また、一部列車には増結車としてE3系・E6系が併結される。
主に朝夕の栃木県 - 東京都心間の旅客需要に対応する列車で、日中は「やまびこ」とともに東京駅 - 宇都宮駅間利用客の着席機会を増すことを副次的な目的とする。運転開始当初は那須塩原以南のみでの運行であったが、秋田新幹線開業に伴う速達タイプの増加による新白河駅・郡山駅停車列車の減少を補う形で、運行区間が郡山駅まで延長された。これにより「やまびこ」との乗り継ぎが若干改善された。朝夕は土曜日・休日運休となる列車がある。
現在は、郡山駅以南のみの各駅停車の列車に「なすの」の愛称が用いられている。
「つばさ」は、山形新幹線直通（東京駅 - 福島駅間は「やまびこ」に併結。定期列車の121・160号と、臨時列車の一部は全区間単独運転）。使用車両はE3系（1000・2000番台）、東北新幹線内の最高速度は275km/h。
「こまち」は、秋田新幹線直通（東京駅 - 盛岡駅間は「はやぶさ」に併結）。全車指定席。使用車両はE6系、東北新幹線内の最高速度は320km/h。
E6系を使う列車は営業運転開始当初「スーパーこまち」を名乗っていた。これは、秋田新幹線車両のE3系からE6系への置き換えが完了するまでの約1年間、両者の区別をするための過渡的なものであり、最高速度は300km/hとなっていた。2014年3月15日のダイヤ改正でE6系への置き換えが完了した後は「こまち」へ統一され、最高速度も320km/hに引き上げられた。
「あおば」は、1982年6月の大宮暫定開業時に、速達タイプの盛岡発着「やまびこ」に対して各駅停車タイプの仙台駅発着列車として登場した。大宮駅 - 盛岡駅間暫定開業時は1日6往復だったが、上越新幹線が開業した同年11月には1日12往復に増発され、大宮駅 - 那須塩原駅間や那須塩原駅 - 仙台駅・盛岡駅間、仙台駅 - 盛岡駅間などの区間列車も登場した。その後増発され、1985年の上野駅 - 大宮駅間延伸開業時に上野駅発着、1991年の東京駅 - 上野駅間延伸開業時に東京駅発着となり、1992年の山形新幹線開業時点では定期列車下り1本と臨時列車が上野駅発着となっている。1994年に2階建車両E1系の導入により、「Maxあおば」が登場した。しかし、1995年に東京駅 - 那須塩原駅間の列車が「なすの」・「Maxなすの」が変更され、「あおば」「Maxあおば」は削減。1997年10月、仙台駅発着の列車は速達タイプ・各駅タイプ問わずに「やまびこ」となり、「あおば」が消滅して全て「やまびこ」・「なすの」に置き換えられた。
2階建車両のE1系・E4系を使用する列車に使われていた愛称。2012年9月29日ダイヤ改正で廃止され、E2系などを使用する「やまびこ」・「なすの」のみとなった。
E6系は東北新幹線内ではE5系と併結し、導入当初は宇都宮駅 - 盛岡駅間で最高速度300km/hでの運転を行う。2014年春には宇都宮駅 - 盛岡駅間での最高速度が単独併結問わず320km/hとなった。
なお、2011年春以降に200系・E1系を廃車、E2系・E4系を上越新幹線へ順次転出させ、「やまびこ」・「なすの」も含めて山形新幹線「つばさ」用のE3系を除く東北新幹線の全列車がE5系とE6系に統一される予定である。
上記のほかに、北陸新幹線用のE7系が試運転や臨時列車で運転されたことがあるが、定期列車では運用されない。
編成記号の「S」は、系列に関係なく非営業用車両全般に用いられている。400系などの量産先行車も営業運転開始まで「S」を付けていた。運賃は営業キロに基づいて算出する。東京 - 盛岡間の営業キロは対応する在来線である東北本線のものと同一になっている（同区間の営業キロは535.3キロメートル、実キロは496.5キロメートル）。盛岡以北の営業キロは、並行在来線が第三セクター鉄道へ移管されたため、対応するJR路線がないことから実キロ（新幹線での実際の距離）がそのまま用いられている。
特急料金は、「三角表」により各駅間個別に定められている。一方、この各駅間の特急料金は当該区間の営業キロに基づいて算出されたものである。営業キロに対応する特急料金、およびその他の特定の区間の特急料金は以下のとおり。
なお、大宮駅 - 盛岡駅間については1982年の大宮暫定開業時、「営業キロが500キロメートルをわずかに越える（505キロメートル）ために特急料金負担増になる」ことが終着駅である盛岡で問題となり、当時、国鉄がこの区間について特例措置を取った経緯から401-500キロメートル区分の特急料金となっている。
全列車に普通車とグリーン車を連結するほか、E5系・H5系を使用する列車（「はやぶさ」全列車と、「はやて」・「やまびこ」・「なすの」の一部列車）には、より上位のグレードである「グランクラス」車両も連結する。
なお、JR東日本は2007年3月のダイヤ改正以降、東北・上越・山形・秋田の各新幹線および在来線特急列車の全てを禁煙車とし、喫煙ルームなども設けていないため、車内での喫煙はできない。
区間ごとの平均通過人員は以下の通りである。
東海道新幹線は開業4か月目で雪害の影響により列車の定時運行ができなくなった。そのため、寒冷・豪雪地帯を通過する東北・上越新幹線では10年に1度の積雪量に対しても正常に運行することを目的に「新幹線雪害対策委員会」が設立され、その成果が実際の雪害対策に反映された。東北・上越新幹線では10年以上かけて沿線の気象調査や技術開発が行われ、沿線の状況に合わせた雪害対策が取られた。東北新幹線沿線は上越新幹線に比べて降雪量は少ないものの、12月~3月の平均気温が0℃未満であることから、年最大積雪深が30cm以上となる一ノ関 - 盛岡間に貯雪型高架橋が採用された。貯雪式高架橋は、高架橋の軌道面をかさ上げすることで生じた空間に、新幹線車両のスノープラウによって排雪された線路上の雪をためることが可能な構造になっており、この構造は盛岡 - 八戸間でも採用されている。八戸 - 新青森間は寒冷・多雪地帯であるため、上越新幹線で実績のあるスプリンクラーによる散水消雪方式の採用が検討され、2008年度に青森市内に船岡試験場として300mの高架橋を建設し、散水消雪試験が行われた。試験で得られた結果をもとに、七戸十和田 - 新青森間で散水消雪システムが導入された 。また、七戸十和田駅付近では予想される最大積雪深が貯雪能力を上回るため、貯雪量を拡大したポケット式貯雪型高架橋や高架橋内の降雪を減らすための雪覆いを設けた半雪覆式貯雪型高架橋が新幹線として初めて採用された。
1969年（昭和44年）5月30日に「新全国総合開発計画」が閣議決定された。この中で主要開発事業の構想として「東北新幹線鉄道の建設を早急に行なうとともに」と、現在の東北新幹線に相当する新幹線鉄道の建設構想が盛り込まれた。
1970年（昭和45年）に全国新幹線鉄道整備法（以下は全幹法と略記）が公布された。この法律により、逼迫する幹線の輸送力増強を目的とした東海道・山陽新幹線とは異なり、経済発展や地域の振興を目的とした新幹線の建設が行われるようになった。1971年（昭和46年）1月に全幹法第5条第1項の規定による「建設を開始すべき新幹線鉄道の路線を定める基本計画」（昭和46年告示第17号）により東北新幹線（東京都 - 盛岡市）、上越新幹線（東京都 - 新潟市）、成田新幹線（東京都 - 成田市）の基本計画が公示された 。この基本計画において東北新幹線（東京都・盛岡市）は東京都を起点に宇都宮市附近、仙台市附近を主要な経過地として盛岡市を終点とすることが示された。同年4月1日に3路線の整備計画が決定された。東北新幹線は最高設計速度260km/hとされ、建設主体は日本国有鉄道（国鉄）とされた 。
1972年（昭和47年）6月に、新たに4路線の基本計画が決定され、7月3日に（昭和47年告示第242号）により東北新幹線（東京都・青森市）に基本計画が改正された。この基本計画において東北新幹線は東京都を起点に宇都宮市附近、仙台市附近、盛岡市を主要な経過地として青森市を終点とすることが示された。
翌年の1973年（昭和48年）11月には北海道新幹線（青森市 - 札幌市）、東北新幹線（盛岡市 - 青森市）、北陸新幹線（東京都 - 大阪市）、九州新幹線（福岡市 - 鹿児島市）、九州新幹線（福岡市 - 長崎市）の5路線（いわゆる整備新幹線）の整備計画が決定された。東北新幹線は最高設計速度260km/h、主要な経過地として「八戸市附近附近」が示され、建設主体は日本国有鉄道とされた。
1971年（昭和46年）10月12日に東京 - 盛岡間の工事実施計画（その1）の認可申請が行われ、10月に認可、11月に東北新幹線の工事に着手した。開業当初は最高速度210km/h、12両編成の計画であるが、最高速度260km/h、大きな手戻りなく16両編成に対応できる建設基準であった。認可時点での完成目標は1976（昭和51）年度であったが、オイルショック後の経済悪化や国鉄の経営悪化などにより、1977年（昭和52年）には完成目標が1980（昭和55）年度に、1981年（昭和56年）には完成目標が1986（昭和61）年度に繰り下げられた。1978年（昭和53年）6月からは小山 - 宇都宮間の完成した新幹線線路約43kmを使用した試験走行が開始された。大宮以北の工事は順調に進められたが、大宮以南では地下ルートが技術的検討により高架ルートに変更され、同時に通勤新線（現在の埼京線）を併設するなど計画の変更がなされたことなどにより、工事が遅れていた。1980年（昭和55年）12月には東北・上越両新幹線の開業を1982年（昭和57年）春とし、仮の始終着駅を大宮駅とすること。大宮 - 上野間の開業を1984（昭和59）年度とし、東京 - 上野間についても引き続いて完成に努力することが発表された。
1982年（昭和57年）6月22日に大宮駅 - 盛岡駅間が暫定開業した。大宮駅 - 上野駅間には新幹線リレー号が運行された。
東北・上越新幹線の建設が開始された1970年代前半は、名古屋新幹線訴訟をはじめ、先に開業していた東海道・山陽新幹線の騒音問題が社会問題化した時期にあたる。このような中で建設が開始された東北・上越新幹線の沿線では、東北地方を含めた各地で騒音を懸念しての反対運動が展開された。特に都市化の進展しつつあった大宮以南の区間では、当初の工事実施計画では地下方式（南埼玉トンネル）での建設が予定されていた荒川北岸 - 大宮駅南側の区間が、後に高架方式へと変更されたこととも相まって、東京都北区、埼玉県戸田市・浦和市・与野市での反対運動は、激化・長期化することとなった（特にトンネルで真下を通過することになった星美学園はそのシンボルとなった）。工事用地内への居座り・デモ行進・地元説明会打切りなどの妨害行為がなされ、開業時期の遅れや事業費の肥大化の大きな原因となった。詳細は「東北・上越新幹線反対運動」、および「埼京線#当時の沿線住民の反対運動」を参照。
なお、地下方式から高架方式への転換にあたっては、同時に赤羽駅 - 大宮駅間に並行する通勤新線（埼京線）を同時に建設することが国鉄側から提案された。また、建設ルートがカーブの多い線形へと変更され、最高速度が110km/hに制限されることになった。
このような理由により、東京駅 - 大宮駅間は新幹線でも約25分（上野通過の列車は約23分）かかり、並行する在来線の所要時間と大差がない。
そのため、新宿・池袋方面から東北・上越・北陸新幹線を利用する場合、東京駅ではなく埼京線・湘南新宿ラインで大宮駅から利用する方が有利な場合が多い。
1983（昭和58年）年8月には国鉄再建監理委員会の緊急提言により安全対策上やむを得ない工事に限って施工するとした方針が示され、工事は停滞した。
1971年（昭和46年）10月の認可時点では、東北新幹線は東京駅在来第6、第７ホームを東北新幹線に転用し、秋葉原駅付近で地下に入り、御徒町から上野公園の下を通って日暮里駅構内で再び地上に出るルートが計画されており、上野に駅を設置する計画は存在しなかった。しかし、東海道新幹線の利用客増加に伴う東京駅の容量不足により、第7ホームは東海道新幹線に転用された。これを補完するために上野駅を設置する工事実施計画の変更が行われ、1977年（昭和52年）12月に東京 - 盛岡間工事計画変更その2が認可された。東北新幹線の上野駅は深さ約30mの地下4階に設けられ、2面4線で折り返し可能な構造で設計された。
1983年（昭和58年）3月の役員会において、上野開業時に東北新幹線の運転速度を230km/h程度とする申し合わせが行われた。その後約1年間大宮 - 盛岡間で行われた約27.6万kmにおよぶ240km/h走行耐久試験の結果を踏まえて、1984年（昭和59年）11月に240km/hの営業運転が決定された 。
1985年（昭和60年）3月14日に上野駅 - 大宮駅間が開業し、最高速度240km/h運転を開始した。これにより、大宮駅での新幹線リレー号への乗り換えが不要になり、上野駅 - 盛岡駅間の所要時間は最短で2時間45分に短縮された。
1987年（昭和62年）4月1日の国鉄分割民営化に伴い、東京 - 盛岡間の東北新幹線の鉄道施設の保有及び東京 - 上野間の建設は新幹線鉄道保有機構に移管された。東日本旅客鉄道（JR東日本）は新幹線鉄道保有機構にリース料を支払い、鉄道施設を借り受けて運営していた。また、東京 - 上野間の実際の工事は新幹線鉄道保有機構からの委託契約によりJR東日本により施工された。
都心部を通過するルートであり用地買収を極力抑えるため、上野 - 東京間のルートは複雑になっている。東京駅では、第6ホームを東北新幹線に転用し、将来的に東海道新幹線と直通運転可能な構造とした。東京駅を出て、呉服橋から竜閑橋の間は都道407号線（江戸通り）の中央分離帯に橋脚を設置し、道路の上空半分に高架橋を建設、神田駅付近では在来線高架橋を取り壊したうえで新幹線高架橋を建設した。この高架橋は新幹線高架橋の上に在来線高架橋を継ぎ足す重層化を考慮した設計がされており 、在来線部分は2015年3月に上野東京ラインとして開業している。秋葉原駅付近からは25‰勾配で下り、地下の上野駅へ向かうが、この区間にある第1上野トンネルでは1990年（平成2年）1月にシールド工法区間（御徒町トンネル）の建設中に陥没事故が発生している。
1991年（平成3年）6月20日に東京駅 - 上野駅間が開業した。東北・上越新幹線で東京駅へ向かう場合の在来線乗り換えが不要となったことにより、所要時間は東京駅 - 仙台駅間で2時間6分から22分短縮されて1時間44分、東京駅 - 盛岡駅間では2時間56分から20分短縮されて2時間36分、東京駅 - 青森駅間では21分短縮されて4時間54分となった。同年10月に新幹線鉄道保有機構は解散し、東北新幹線 東京 - 盛岡間の鉄道施設はJR東日本に有償で譲渡された。
国鉄の経営悪化などを背景に1982年（昭和57年）9月の臨時行政調査会の基本答申に沿って、東北新幹線（盛岡市 - 青森市）を含む整備新幹線計画を当面見合わせる閣議決定がなされた。
1985年（昭和60年）12月に、盛岡 - 新青森間の認可申請が行われた。国鉄改革や行財政改革の進展、沿線地域の建設促進への強い要望などを背景に、1987年（昭和62年）1月に整備新幹線建設の凍結解除が閣議決定され、盛岡駅以北の東北新幹線の建設に道が開かれた。しかし、建設費を削減するため、いわゆる「運輸省案」が考案され、東北区間については以下のような案が検討された 。時間短縮効果の高い沼宮内 - 八戸間に標準軌新線を建設し、盛岡 - 沼宮内間および八戸 - 青森間に狭軌に加え標準軌を導入する新幹線直通線化（ミニ新幹線化）をすることで上野 - 青森間で新幹線による直通運転を行い、所要時間を4時間51分から4時間2分に短縮するとした。1987年（昭和62年）4月1日の国鉄分割民営化に伴い、1972年（昭和48年）の整備計画では国鉄が建設主体とされていた東北新幹線（盛岡市 - 青森市）は、日本国有鉄道改革法等施行法の附則により東日本旅客鉄道（JR東日本）が建設主体とされたが、同年9月に施行された「旅客鉄道株式会社が建設主体とされている新幹線鉄道の建設に関する事業の日本鉄道建設公団への引継ぎに関する法律」により東北新幹線（盛岡市 - 青森市）の建設は日本鉄道建設公団に引き継がれた。
1988年（昭和63年）8月31日の「整備新幹線の取扱いについて」において整備新幹線着工優先順位が示され、1(i)として北陸新幹線高崎 - 軽井沢間の標準軌新線、なお軽井沢 - 長野間の取扱いは1998年冬季五輪の開催地決定を考慮して3年以内に結論を出す。1(ii)として高岡 - 金沢間の新幹線規格新線。2として東北新幹線。3として九州新幹線。4として糸魚川 - 魚津間の新幹線規格新線とされた。
1989年（平成元年）1月17日の政府与党申合わせにおいて、整備新幹線の建設主体などなどが示された。整備新幹線の事業費はJR、国、沿線の地方自治体の負担とすること。建設主体は日本鉄道建設公団とし、建設した鉄道施設を公団がJRに有償で貸し付けること。北陸新幹線高崎 - 軽井沢間を平成元年度から本格的に着工すること、あわせて難工事推進事業として3トンネルについても平成元年度中に着手することなどが示された。
1989年（平成元年）6月に難工事推進事業として、沼宮内（現 いわて沼宮内）- 八戸間の岩手トンネルの着工が認可された。1992年（平成3年）に新幹線直通線（ミニ新幹線）や新幹線鉄道規格新線（スーパー特急）による「暫定整備計画」を決定できるよう全幹法が改正された。
昭和63年の「整備新幹線の取扱いについて」において優先順位2位であった東北新幹線は、1991年（平成3年）8月22日に盛岡 - 青森間193.4kmの工事実施計画が認可され、9月4日に起工式が行われた。沼宮内 - 八戸間は標準軌新線（フル規格）、盛岡 - 沼宮内間および八戸 - 青森間は新幹線鉄道直通線（ミニ新幹線方式）であり、1992年（平成4年）7月29日に盛岡市 - 岩手町間および八戸市 - 青森市間の暫定整備計画が決定された。
1994年（平成6年）12月の連立与党申合せにより、盛岡 - 沼宮内間を標準軌新線（フル規格）で建設すること、八戸 - 青森間の新幹線鉄道直通線（ミニ新幹線）計画を取り下げることが決定された。前述の合意を踏まえて、1995年（平成7年）4月に盛岡 - 沼宮内間の工事実施計画（フル規格）が認可され、盛岡 - 八戸間の全区間が標準軌新線によるフル規格で建設されることになった。
1996年（平成8年）12月25日の「整備新幹線の取扱いについて　政府与党合意」では東北新幹線の新規着工区間として八戸 - 新青森(石江)間の標準軌新線（フル規格）が示された。平成8年の合意に基づいて、1998年（平成10年）1月に「政府・与党整備新幹線検討委員会における検討結果」が公表され、従来の整備新幹線計画が維持されていることを確認したうえで新規着工区間の優先順位が示され（1）東北新幹線 八戸 - 新青森間、九州新幹線（鹿児島ルート）船小屋 - 新八代間（2）北陸新幹線 長野 - 上越間とされた。同年3月に八戸 - 新青森間の工事実施計画（フル規格）が認可された。
2000年（平成12年）12月18日の「整備新幹線の取扱いについて」政府・与党申合せにおいて、東北新幹線 盛岡 - 八戸間については「平成14年末の完成を目指す」とされた。八戸 - 新青森間については「今後概ね12年後の完成を目指す」とされた。
2002年（平成14年）12月1日に盛岡駅 - 八戸駅間が開業した。また、新たな最速達列車として「はやて」の運行を開始した。これにより、所要時間は東京駅 - 八戸駅間では37分短縮されて2時間56分、東京駅 - 青森駅間では28分短縮されて3時間59分（在来線乗り換え時間を含む）となった。
2003年（平成15年）10月1日に鉄道建設・運輸施設整備支援機構が設立され、日本鉄道建設公団は解散した。これにより東北新幹線（盛岡 - 新青森間）の建設・貸付け業務は機構に引き継がれた。
2004年（平成16年）12月16日の「整備新幹線の取扱いについて」政府・与党申合せにおいて、東北新幹線 八戸 - 新青森間については「平成22年度末の開業を目指す」とされた。
2010年（平成22年）12月4日に八戸駅 - 新青森駅が開業し、東北新幹線は整備計画決定から39年の歳月を経て全線開通となった。これにより、東京駅 - 新青森駅間の所要時間は36分短縮されて3時間23分となった
2011年3月11日14時46分、東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）の発生と同時に、東北新幹線は全区間で運転を中止した。仙台駅構内で試運転中のE2系1本が脱線したほか、数本の列車が駅間で立ち往生した。この脱線について運輸安全委員会は、「高架橋が地震動に共振したことが原因」とする調査報告書をまとめた。
落橋やトンネルの崩落はなかったが、仙台駅ホームの天井が落下するなど5つの駅が損傷し、大宮駅 - いわて沼宮内駅間の約536km（新潟県中越地震で被害が生じた上越新幹線の越後湯沢 - 燕三条間の約5.6倍）で、電柱の損傷が約470箇所、架線の切断が約470箇所、高架橋の橋脚損傷が約100箇所、線路の損傷が約20箇所など、約1,200箇所（うち那須塩原駅 - 盛岡駅間は約940箇所）に被害が生じた。
設備の損傷の少なかった東京駅 - 那須塩原駅間は3月15日に運転再開（当該区間全列車が「なすの」として運転）、盛岡駅 - 新青森駅間は一時3月23日再開予定とされていたが、1日早く3月22日に運転を再開した（同「はやて」として運転）。
3月23日、4月20日前後に全線の運転再開という方針が決定されたが、後に新たな損傷個所が見つかり、4月8日頃に一ノ関駅 - 盛岡駅間、4月中旬に那須塩原駅 - 福島駅間、20日 - 25日に全線再開と修正された。
運転再開プランが固まったことを受け、4月1日、東北新幹線を含めた被災路線復興を目的に、「つなげよう、日本。」をスローガンとした震災復興推進キャンペーンが開始された。最初のメディア展開として、各駅構内や車内にはポスターが掲示されたほか、テレビやラジオでのCM放映（ナレーションに吉永小百合を起用）が開始された。キャンペーンCMは、トレインチャンネル（車内LCD）を搭載している車両を運用している以下の首都圏在来線でも音声無し（ナレーションはテロップで代用）で放映されている。
4月7日に一ノ関駅 - 盛岡駅間が運転を再開（「はやて」を延伸）したが、同日夜に起きた東北地方太平洋沖地震の余震とみられる強い地震により八甲田トンネル内で下り最終列車が立ち往生した。この余震で約450箇所（うち一ノ関駅 - 新青森駅間は約100箇所）の新たな損傷が生じ、一ノ関駅以北は再び運休となった。
4月12日に那須塩原駅 - 福島駅間が運転を再開し（「なすの」を郡山駅まで延伸、一部「やまびこ」も設定）、福島駅 - 新庄駅間で折り返し運転を行っていた山形新幹線「つばさ」も東京までの直通運転を再開。同日から東北本線福島駅 - 仙台駅間を結ぶ臨時快速列車「新幹線リレー号」の運転を開始（同区間開通前日の4月24日まで運行）。翌4月13日には盛岡駅 - 新青森駅間、4月23日に一ノ関駅 - 盛岡駅間、4月25日に福島駅 - 仙台駅間が運転再開した。
そして4月29日の「震災復興キックオフデー」に合わせて仙台 - 一ノ関間が運転を再開し、全線での運転となった。同日「はやぶさ」を東京駅 - 新青森駅間と東京駅 - 仙台駅間でそれぞれ1日1往復ずつ運転を再開（6月土休日には新青森駅発着の臨時列車を1往復増発）し、秋田駅 - 盛岡駅間で折り返し運転を行っていた秋田新幹線も同時に東京までの直通運転を再開。また、グランクラスの営業も再開され、利用料金の一部（1人当たり5千円）を被災地支援の義援金として寄付される。
運転再開当日は仙台市地下鉄南北線の全線開通や、東北楽天ゴールデンイーグルス（Kスタ宮城・vsオリックス・バファローズ戦）・ベガルタ仙台（仙台スタジアム（ユアテックスタジアム仙台）・vs浦和レッズ戦）の本拠地初戦の開催と重なったことから、仙台市の市民ボランティアのTwitterでの呼びかけにより、九州新幹線開業CMを元に、通過する列車を沿線で手を振って迎えようというプロジェクトが企画され、当日は沿線で多くの人が列車に向かって手を振る様子が見られ、この模様がYouTubeやニコニコ動画などで配信された。
運行再開にあたっては、前述の復興推進キャンペーンのステッカーと、同時期に開始された青森デスティネーションキャンペーンのステッカーを、上越・長野新幹線を含めたJR東日本所属営業用車両全編成の先頭車両に貼付している（前者は東京寄り、後者は新青森・新潟・長野寄りに貼付）。
全線開通後も7月8日までは那須塩原駅 - 盛岡駅間では復旧作業のため、通常より速度を落として運転された（同区間最高速度160km/h）。このため300km/h運転ができなくなった「はやぶさ」は特別料金収受を取り止め、「やまびこ」・「はやて」と同じ料金体系が採られた。
7月9日、復旧作業の進捗により、那須塩原駅 - 福島駅間と、一ノ関駅 - 盛岡駅間の運転速度を通常に戻すダイヤ改正を実施。「はやぶさ」東京駅 - 新青森駅間1往復など、列車も増発された。この改正で山形新幹線「つばさ」は震災前の本数・所要時間に戻った。引き続き「はやぶさ」の特別料金収受中止、福島 - 一ノ関間での減速運転が行われた。また、9月1日には仙台駅での乗り継ぎを一部改善するためにダイヤ修正が行われた。
9月22日をもって減速運転を終了し、翌9月23日には全線が震災前のダイヤに戻り、「はやぶさ」の特別料金収受も再開された。これに伴い、グランクラス料金の寄付も終了した。
2005年6月からE954形 (FASTECH 360S)、2006年4月から新在直通対応のE955形 (FASTECH 360Z)による試験走行が開始され、地上設備と車両に関して様々な試験が行われた。その結果結果を踏まえて、2007年7月に東北新幹線320km/h化が決定された。
320km/h運転に向けて、地上設備では2008年度から2012年度にかけて対策工事が行われ、騒音対策として防音壁のかさ上げや騒音低減装置(NIDES)、側壁吸音板の設置、トンネル微気圧波対策として緩衝工の新設・延伸、コンクリート桁のたわみ低減対策、通過時の駅構造物への圧力変動対策として一ノ関駅、水沢江刺駅、新花巻駅で改修工事が行われた。車両面では320km/h運転が可能なE5系およびE5系と併結し320km/h走行が可能で新在直通車両であるE6系が開発された。
2011年3月5日のダイヤ改正では、E5系が導入され、JR東日本では初めての最高速度300km/h運転を行う「はやぶさ」3往復が運転を開始した。これにより東京駅 - 新青森駅間の所要時間は最高速度275km/hである「はやて」より最速達列車で10分短縮されて3時間10分となった。
2013年3月16日のダイヤ改正では、E5系単独編成の「はやぶさ」において国内最速となる最高速度320km/hでの運転、およびE5系とE6系の併結編成「はやぶさ・スーパーこまち」での最高速度300km/h運転を開始した。
2014年3月15日のダイヤ改正では秋田新幹線の車両が新型車両のE6系に統一されたことで「はやぶさ・こまち」の全ての併結編成において宇都宮駅 - 盛岡駅間の最高速度が320km/hに引き上げられた。これにより、東京駅 - 秋田駅間の所要時間は8分短縮されて最速で3時間37分、下り平均で12分短縮されて3時間47分となった。また、すべての「はやぶさ」が320km/h運転となったことで所要時間は東京駅 - 新青森駅間の下り平均で9分短縮されて3時間14分となった。
JR東日本では北海道新幹線札幌延伸時に備え、2016年11月発表の『技術革新中長期ビジョン』において将来最高速度をさらに360Km/hに引き上げることを検討している。そのために「次世代新幹線の実現に向けた開発」を進めていて、2019年5月落成予定車両のE956系ALFA-Xを使って試験走行する予定である。またこれに先立ち、盛岡駅 - 新青森駅間の整備新幹線区間での最高速度を260Km/hから320Km/hに引き上げる方針を明らかにした。盛岡以北で速度が引き上げられた場合、260Km/hに制限されている全国の整備新幹線では初となる。
2018年5月16日に上野駅 - 大宮駅間の埼玉県内の区間の最高速度を将来的に現行の110km/hから最大130km/hに引き上げる事を発表。2018年5月下旬から概ね2年程度をかけ、吸音板設置や防音壁かさ上げといった騒音対策等の地上設備の工事が行われる。
今後、北海道・北陸の各新幹線が延伸・全通すればさらなる運行本数増加が予想され、大宮 - 東京間および東京駅の線路容量が逼迫するとして、大宮駅から新宿駅へ乗り入れる別線を建設すべきとの意見（上越新幹線の本来の起点は新宿とされており、その建設とも見なせる）や、上野・大宮駅発着の列車を増発するべきという意見、東京駅 - 高崎駅間で上越新幹線と北陸新幹線を併結運転させるという意見もある。現在、ピーク時の大宮駅 - 東京駅間の運行本数は開業時から年々増えており、この区間が運行上の大きなボトルネックになっている。
なお、新宿駅 - 大宮駅間の別線の件については、近い将来のレベルでの完成は現実的ではないことから、2008年11月27日に開催された民主党の「整備新幹線を推進する議員の会」において、JR東日本の担当者から2014年度の北陸新幹線金沢開業および、2015年度の北海道新幹線新函館北斗開業後におけるピーク時の輸送には、大宮始発着の列車を一部設定することにより輸送分散を図るという案が、JR東日本の見解として提示された。大宮駅の所在地であるさいたま市も、新幹線の大宮駅発着の設定による増発を2015年度から施政方針として掲げ、国に要望している。
JR東日本社長（当時）の冨田哲郎は、北陸新幹線を走る「かがやき」の増発を利用状況に応じて行う際、新幹線の乗り入れが集中する繁忙期には上野駅とともに大宮駅を発着とする臨時列車も選択肢に入るとしている。なお、東北新幹線では、2017年7月と9月に、初めて大宮駅始発・終着となる臨時「はやぶさ」が運行され、北陸新幹線では、2018年3月からは上野終着の臨時「かがやき」が運行されている。
現時点では、東京駅で東海道新幹線と東北新幹線の線路が接続されていないため、東海道・山陽新幹線との直通運転は物理的にできない。
1970年2月、全国新幹線整備法の成立に先立って新幹線の建設・運行に関する調査と審議を行う「新幹線建設委員会」が設置され、1971年7月までの審議において東北・上越新幹線については東海道新幹線とターミナルを共用し、直通運転を図るべきとされた。後には直通運転も可能な試作電車が開発され、開業前の山陽および東北新幹線で試験運転を行っている。
しかし1982年に大宮駅 - 盛岡駅間で暫定開業した東北新幹線は、大宮駅以南の建設に時間がかかり、東海道新幹線と接続する東京駅への乗り入れは1991年までずれ込んだ。その間の1987年には国鉄分割民営化により、東北新幹線はJR東日本、東海道新幹線は東海旅客鉄道（JR東海）の管轄に分かれ、乗り入れに関する意思を統一することが困難となり、直通運転の構想は立ち消えとなった。ほかにも採算性（需要）の問題や電源周波数の相違やダイヤ編成の困難さ、東北新幹線内で遅延が発生した際の東海道新幹線への影響（その逆の場合も然り）など、直通運転の実現へ向けて生じる課題は多く、山積する課題をクリアしてまで実現させる程のメリットは無い。との見方が示されている。