仙山線
仙山線（せんざんせん）は、宮城県仙台市青葉区の仙台駅から山形県山形市の羽前千歳駅を結ぶ東日本旅客鉄道（JR東日本）の鉄道路線（幹線）である。
運行系統としては、奥羽本線の羽前千歳駅から山形駅までも含む。
宮城県の県庁所在地である仙台と山形県の県庁所在地である山形とを結んでいる。名称は、仙台と山形から頭文字を1字ずつとって付けられた。日本初の交流電化が行われた路線でもある（詳細は「#日本初の交流電化」の節を参照）。
起点の仙台駅で東北新幹線および東北本線に、終点の羽前千歳駅では奥羽本線に接続している。羽前千歳からはすべての列車が奥羽本線の山形駅に直通するため、運転系統としての仙山線は奥羽本線羽前千歳駅 - 山形駅間を含んでいる。同区間には軌間の異なる山形新幹線／山形線（軌間1,435mm）用とは別に独立した単線が仙山線用に敷設されており、北山形駅 - 山形駅間は左沢線の列車と共用している。
全線が仙台市内と山形市内にあり、東北本線との分岐部分で僅かに仙台市宮城野区、奥新川駅 - 仙山トンネルの間は一部太白区を通るものの駅や信号場などの施設はなく、駅はすべて仙台市青葉区内と山形市内にある。途中で他の市町村を通ることなく県庁所在地同士を直接結び、かつその両都市のみで完結するJRの路線は仙山線のみである。
県境付近は勾配の厳しい山岳区間で、運行車両にもそれに対応する性能が求められるほか、秋季には車窓から紅葉を見ることができる反面、落葉によって車輪の空転が引き起こされ、ダイヤが乱れやすい。車輪が空転する状況が予想される場合は機関車が「落ち葉掃き列車」として走行することがある。この「落ち葉掃き列車」には、当初仙台車両センター所属のED78形電気機関車が使用されていたが、同型式の全廃後はED75形電気機関車に変更され、近年は郡山総合車両センター所属のDE10形ディーゼル機関車や、落ち葉掃き用の装置を仮設したE721系電車が使用されている。
1972年（昭和47年）から仙台市内区間は特定都区市内の対象路線となった。当初仙山線で対象となるのは北仙台駅のみであったが、後の新駅開業及び旧宮城町の仙台市への吸収合併に伴い宮城・山形県境の奥新川駅まで拡大している。2003年（平成15年）からは仙台駅 - 愛子駅間がICカード乗車券「Suica」の仙台エリアに含まれ、2004年（平成16年）からは仙台駅 - 山寺駅間が「仙台まるごとパス」適用区間となった。仙山線の各種案内サインなどに用いられるラインカラーは、黄緑色に設定されている。2014年（平成26年）4月1日からは全線が大都市近郊区間として新設された「仙台近郊区間」となり、作並駅・山寺駅でもICカード乗車券「Suica」が利用可能となった。
全線、仙台支社の管轄である。
仙山線は、愛子を境に路線の持つ性格が大きく変わる。仙台から愛子までは沿線に住宅地が多いことから都市近郊輸送路線としての性格が強く、愛子の先は田園地帯や観光地が広がるローカル線色が濃い。
仙山線の列車は仙台駅の7・8番線から発車する。線路はしばらく東北本線に並行するが、ダンロップスポーツクラブの辺りから急勾配と急カーブで東北本線を一気に跨ぎ西側へ進路を変え、梅田川を右岸から左岸に渡る。ここから北仙台駅までの区間は歌枕「玉田横野」を突っ切る区間であり、東照宮駅を過ぎると梅田川および台原段丘の段丘崖との並走区間に入って、崖の斜面や土盛りの上を通りながら、北仙台付近で再び梅田川右岸となる。北仙台では高層マンションが立ち並び、都市部の風景が広がる。北仙台駅を過ぎるとすぐ旧奥州街道と交差し、以後、梅田川と並走しながら北山丘陵北斜面を走る。北山駅を過ぎると北山丘陵南斜面側に移り、国見丘陵南斜面を走って、梅田川流域から広瀬川流域にかわる。これらの丘陵地はマイホーム用の住宅地として開発されている。東北福祉大前駅と次の国見駅付近には大学、市立高校があり、通勤客と通学客の行き先は反対になる。また、通学・帰宅時間帯には多くの学生で混雑する。国見の先のトンネルを過ぎると大規模な仙台市葛岡墓園が広がり、住宅開発はあまり見られなくなる。葛岡駅を過ぎると丘陵地から平地に降りて愛子盆地に入り、陸前落合駅、愛子駅と続く。愛子盆地は開発抑制がなされていたが、道路交通の要衝であることから市街化区域に用途地域が変更され、人口が急増している地区である。
愛子からは広瀬川や国道48号線と並走し、山と田園の風景が広がる。陸前白沢 - 熊ケ根間にある第二広瀬川橋梁（熊ヶ根鉄橋）は深い峡谷に架かるものであり、絶景である。やがて温泉地である作並駅に到着する。作並駅のホームには日本初の交流電化を記念する「交流電化発祥地」の碑が建っている。ここを過ぎると山を越えて広瀬川支流の新川流域に入り、奥羽山脈の山岳風景一色となる。作並 - 奥新川間にあった八ツ森駅（臨時駅）は、1970年（昭和45年）まで存在した八森スキー場へのアクセス駅だった。この駅は後に鉄道ファンから秘境駅の一つとして認識されるようになったが、2014年（平成26年）3月に廃止された。奥新川駅も深い山の中に存在するが、こちらは定期列車が停車する。奥新川駅付近には大正時代から戦後にかけて秋保鉱山があり、また戦前から戦後にかけて新川森林鉄道があったため、人口600人あまりの集落が存在した時期もあった。現在はブナの森や渓流を楽しむ行楽客がこの駅を利用する。
奥新川を過ぎると、奥羽山脈を貫く仙山トンネルに入る。このトンネルを抜けると山形市に入り、面白山高原に着く。面白山高原駅は、全国で唯一鉄道でしか訪れることができないスキー場として2008年度まで営業していたスノーパーク面白山のゲレンデの中にあり、駅構内からスキーリフトに乗れた。そのため、冬季には当駅で降りてすぐスキーやスノーボードができるよう、仙台や山形の市街地の駅から、まるでゲレンデ内にいるようにスキーウェアを着、スキー靴を履いたまま仙山線に乗り込む者がよく見られた。冬場以外では面白山への登山客が当駅を利用する。また、この付近を始め、作並 - 山寺間では秋に車窓が紅葉によって華やかに彩られる。
山寺駅付近は観光地であるため旅館や土産屋が目立つ。山寺とは立石寺の通称である。山寺を過ぎるとのどかな田園風景が広がる。高瀬付近はスタジオジブリの映画『おもひでぽろぽろ』の舞台である。
羽前千歳から先は、正式には奥羽本線だが、山形新幹線や山形線とは別の狭軌線路を走る。羽前千歳のすぐ先で山形新幹線・山形線の標準軌線路と平面交差して右側に移り、北山形を過ぎると左沢線と合流し、まもなく山形駅に到着する。
運転系統としては、仙台駅 - 山形駅間であり、羽前千歳駅 - 山形駅間では奥羽本線に乗り入れる形をとる。この羽前千歳駅 - 山形駅間は1999年（平成11年）の山形新幹線の山形駅 - 新庄駅間の延伸に伴い、複線の奥羽本線のうちの単線が狭軌（軌間1,067mm）から標準軌（軌間1,435mm）に改軌され、それと同時にもう1本の単線が仙山線・左沢線の乗り入れ用として狭軌のまま残された。それ以降、実質的には仙台駅 - 山形駅間の全区間で独立した単線を持つ路線となっている。仙台駅に近づくほど日中でも利用者が増えていくため、列車は終日にわたり4両または6両編成で運転される。
全線を通して運転される都市間連絡列車として快速列車が、朝ラッシュ時から夕方にかけて、1 - 2時間に1本の割合で運転されている。停車駅パターンとしては、
の3種類がある。1.の列車の途中停車駅は北仙台駅・国見駅・陸前落合駅・愛子駅・作並駅・山寺駅・羽前千歳駅・北山形駅である。主に3.の列車が運転されていて、2.の列車は夕方に1本のみである。
停車駅パターンの種類が最も多くあった時期には6種類あった。このため乗客からのわかりづらいという意見や、停車駅の誤通過も相次いだことから基本的に普通列車を増発することで、停車駅のパターンを大幅に減少することとなった。ところが、その後はダイヤ改正の度に停車駅パターンを頻繁に変更している。2004年10月15日までは3種類であったが、翌16日の改正時点で5種類に増加し、2005年12月10日の改正では4種類に削減され、2012年3月17日には3種類になっている。さらに2014年3月15日の改正では最速達列車が2往復に減少し、仙台駅 - 愛子駅間の各駅に停車する快速が大幅に増えた。さらに2015年3月14日の改正では奥新川駅と面白山高原駅への快速の停車が取りやめとなった。
天候不良やダイヤの遅れなどにより普通列車の一部が運休になった場合、快速列車の種別にかかわらず仙台駅 - 愛子駅間各駅停車となることがある。
近年では快速列車の運行本数は減少傾向にあり、代わって仙台駅 - 山形駅間の普通列車が増加傾向にある。
普通列車はすべての列車が仙台駅発着である。快速列車の運転されない時間帯に仙台駅 - 山形駅間直通の列車があるほか、仙台駅 - 愛子駅・作並駅間の区間運転もある。
1時間あたり2 - 4本の列車が運行されている。仙台の近郊区間であり、通勤・通学利用客が多く、仙台圏のJR在来線では東北本線（白石 - 仙台間）に次ぐ需要がある区間となっている。
1984年（昭和59年）2月1日のダイヤ改正において、仙台駅 - 愛子駅間に北山および国見の両駅が開業したことに伴い、愛子駅に3番線ホームを開設して同区間に区間列車を設定した。これにより同区間の普通列車の本数は急増し、ダイヤ改正ごとに増発が繰り返された。しかしこの区間は最急勾配25‰の単線である上、交換可能駅が北仙台駅・国見駅・陸前落合駅のみであるため増発は困難になっている。このような過密ダイヤのため、時折設定される臨時快速列車（「ゲレンデ蔵王」「ゴロンとさくらんぼ山形」など）は定期快速列車と比較して停車駅が大幅に少ないにもかかわらず普通列車よりも時間がかかる。根本的な増発対策として、仙台駅 - 北仙台駅間の高架複線化の構想があるが、東照宮付近の景観悪化が課題となって、実現には至っていない。
通勤需要の多い仙台駅 - 愛子駅間や観光需要の多い作並駅 - 山形駅間と比べると利用者数が少なく、昼時間帯の陸前白沢駅・熊ケ根駅は普通列車が2時間に1本程度停車するのみである。沿線には作並街道沿いに集落が点在しているが、利用シェアは競合する仙台市営バス（1時間あたり2本）に大きく水を空けられており、陸前白沢駅・熊ケ根駅ともに1日平均乗車人員が100人前後の閑散区間である。
かつては仙台駅 - 作並駅間の区間列車が多数設定されていたが、その大半が愛子駅折り返しに見直され、2012年3月17日のダイヤ改正時点で下り作並行き2本・上り仙台行き3本のみの運行となった。さらに2015年3月14日のダイヤ改正で夕方の1往復が愛子止まりとなり、朝の下り作並行き1本と上り仙台行き2本のみとなった。
快速列車の合間をぬうように普通列車が運行されている。1時間あたり1 - 2本程度の運行頻度である。近年は高速バスの台頭により仙台駅 - 山形駅間の通しの客は減少傾向であるが、それほど利用が少ないわけではない。この区間は作並温泉や松尾芭蕉のおくのほそ道でも有名な「山寺」、スキー場のある「面白山」などの観光地、行楽地があるため、観光・行楽シーズンは混雑する。一部を除く快速の停車しない駅は沿線人口が少なく、愛子駅 - 作並駅間とほぼ同程度の運行頻度である。
山形側では、古くより奥羽本線の山形以南米沢方面や羽前千歳以北新庄方面への直通運転が行われていたが、1992年の山形新幹線（福島 - 山形間）の開業に伴う標準軌改軌により、米沢方面への直通が不可能となった。その後も奥羽本線新庄方面への直通運転は行われたが、1999年の山形新幹線（山形 - 新庄間）の延伸開業後は羽前千歳以北への直通も不可能となり、奥羽本線とは完全に分離された状態となった。
仙台側についても、以前は福島駅・岩沼駅・白石駅・松島駅・小牛田駅発着の東北本線直通列車が定期列車として運行されていたが、2001年以降本数が少しずつ減り、2007年3月18日のダイヤ改正で2本あった東北本線直通列車は消滅し、それ以降、東北本線に直通する定期列車は設定されていない。
将来構想として山形駅から仙台空港線仙台空港駅まで乗り入れる計画もあった。しかし、2005年12月に行われた宮城・山形両県知事とJR東日本との会談では、採算性等の面から仙台空港線開業と同時に仙山線と直通運転するのは困難との見解がJRから示された。なお、2007年4月・5月には団体専用臨時列車として山形・仙台空港間を直通する列車が設定されたが、仙山線 - 仙台空港アクセス線を直通運転する臨時列車はこれを最後に一度も運行されていない。この件は長期的な課題として、引き続き山形県側が中心となって働きかけを行っている。
仙台車両センター所属車が運用されている。定期列車はすべて電車で運行されている。
1991年の路盤改良までは作並駅 - 山寺駅間を走行する車両の重量に制限がかかり、また車輪空転の懸念があったため軽量車も原則入線できなかった。また車両の生産には非常に高価となる交流電源による電化方式が原因となり走行可能な車両は後述の455系と417系電車、それにキハ58系気動車、ED78形電気機関車しか存在しなかった。417系は少数生産に留まり、717系は抑速ブレーキを装備していないため線内での本格的な運用はなされず、同じ線区で30年以上にわたり大量の455系が在籍し続ける結果となった。
2001年の455系の運用撤退以後は一部の運用を除き719系0番台が主力となった。2012年3月17日より一部列車を除いてE721系が主力となる。
また、2017年10月14日のダイヤ改正において、701系が仙山線の運用から離脱し、全てE721系での運用となった。仙山線で運用された蒸気機関車としては、C58形や9600形がある。このほかに1980年代前半までは主に客車を使用しており、郵便荷物合造車も連結していた。
仙台と山形を鉄道で結ぶという議論は明治10年代末から存在した。これは、現在の東北本線の前身に当たる日本鉄道が仙台を経由して建設されることに合わせて、山形まで鉄道を実現するという構想だった。仙台と山形の間の鉄道は山形県側だけではなく宮城県側も要望していた。しかし、この要望はすぐには実を結ばず、山形への鉄道としては現在の奥羽本線が先に建設された。
仙台と山形の間の鉄道構想においては、路線の経路が問題となっていた。この二つの県庁所在地の間には奥羽山脈が横たわっており、関山峠、二口峠、笹谷峠が鉄道路線の経路として考えられ、関係する市町村がそれぞれの思惑から誘致活動を行っていた。しかし、このような状況は鉄道の実現に望ましくないと考えた仙台側と山形側の双方が、1919年（大正8年）に誘致運動を一旦白紙化した上で一元化するすることを決めた。仙山線の計画が進まない一方で、宮城県と山形県を結ぶ初の鉄路として陸羽東線が1917年（大正6年）に開通した。
1922年（大正11年）4月11日に公布・施行された（改正）鉄道敷設法の別表第20号に仙山線は規定され、12月27日より始まった第46回帝国議会で承認されて1923年（大正12年）の着工が決定された。しかしこの年の9月1日、関東地震（関東大震災）が発生した。この震災の復興を優先するために、政府は重要路線を選別した上で鉄道の建設を続けることを決めた。仙山線建設の望みは薄いとも考えられたが、1925年度（大正14年度）からの着工が改めて決まった。
仙山線の建設は1926年（大正15年）4月に宮城県側から始まった。1929年（昭和4年）に仙山東線（せんざんとうせん）として仙台駅 - 愛子駅間が開業し、1931年（昭和6年）には作並駅まで路線が延びた。この区間においては仙台市北部の新設駅の場所を巡って論争が起きた。また、この間、濱口内閣によって熊ヶ根、奥新川、山形の各工区の工事が中止させられるという一幕があった。
仙台側の鉄路の敷設が進む一方で、鉄道の経路に論争があった山形側の着工は遅れた。鉄道省は、東村山郡千歳村長町において奥羽本線から分岐する形で仙山線を建設する計画を立てていた。しかし、山形には山形市街地東部を経由する形で仙山線の建設を望む声があり、千歳での分岐が決定的になった後も、線路の東側迂回および駅の設置の要望がくすぶり続けた。その一方でこれに反対する意見もあった。この問題は解決を見ぬまま、1931年（昭和6年）に山形市会から鉄道省に一任された。1932年（昭和7年）に千歳から楯山と山寺を経由して仙台側へ路線を建設することが決まり、この年の9月に工事が始まった。そして、1933年（昭和8年）に仙山西線（せんざんさいせん）として羽前千歳駅 - 山寺駅間が開業した。この時、仙山東線、西線いずれも非電化であり、蒸気機関車が走行した。蒸気機関車の方向転換のために、当時の作並駅と山寺駅には転車台があった。
残された作並駅 - 山寺駅間は1937年（昭和12年）に開通した。奥羽山脈を横断するこの区間には全長5361メートルの仙山トンネルが建設された。これは当時としては、上越線の清水トンネル、東海道本線の丹那トンネルに次ぐ、日本国内で3番目の長さを持つトンネルだった。トンネルの宮城県側は、湧水が多かったが、地質が良好で1日平均約10.5メートル掘り進み、予定されていた工期を短縮するほど順調な工事が行われた。一方の山形県側は、湧水は少なかったが、粉塵が多くて苦労があったという。この長大トンネルにおける蒸気機関車の煤煙被害を避ける目的で、作並 - 山寺間は開業当初から直流電化され、電気機関車がここを走行した。作並駅には仙台機関区作並機関支区が置かれ、ED19形電気機関車4両が配置された。また、全線の開通に伴って路線名が仙山線となった。
全線開通日の一番列車では、上りが山形駅発5時25分、仙台駅着7時57分で所要2時間32分、下りが仙台駅発5時58分、山形駅着8時34分で所要2時間36分であった。当時は、奥羽山脈を横断する直流電化区間の山寺駅 - 作並駅間では電気機関車で運行し、電化されなかった山形駅 - 山寺駅間、および、作並駅 - 仙台駅間では蒸気機関車で運行したため、山寺駅および作並駅では機関車の付け替えが行われた。
開通当時の仙山線では、行商の女性達が主要な乗客となった。彼女達は山形から野菜等を運んで仙台で売り、太平洋側の港で揚がる海産物を山形に運び、両都市の物流を担った。
国鉄は1953年（昭和28年）に「日本国有鉄道交流電化調査会」を立ち上げ、交流電化による鉄道の運行の実現を目指した。翌1954年（昭和29年）に仙山線の北仙台駅から作並駅までの区間が交流電化の試験線に指定された。この区間が試験線に選ばれた理由として、機関車の負荷試験に適した勾配があったこと、交流電化から生じる障害に対する通信線やトンネルの改修にかかる費用が少なかったこと、直流電化区間と接し交流と直流の切り替え試験が行えたこと、電力の供給が安定していたこと、列車ダイヤに余裕があったことが挙げられる。この試験のために、地上施設関係に4億4000万円、車両やその他試作に2億4000万円がつぎ込まれた。まず、1954年（昭和29年）10月から陸前落合駅と陸前白沢駅の間で試験が始まり、1955年（昭和30年）4月には試験区間が北仙台駅から作並駅まで広がった。試験は1956年（昭和31年）4月まで行われた。作並 - 山寺間はすでに直流電化されていたので、作並駅は日本初の交流電源と直流電源の接続駅となり、交流と直流の地上切り替えのための設備が設けられた。
当初は世界で初めて商用周波数による交流電化を実用化したフランスからの試作機導入を目論んだ国鉄だったが、これは不調に終わった。交流を使用して交流整流子モーターを直接駆動する方式（直接式）と、交流を整流器で直流に整流して直流モーターを駆動する方式（間接式）の2方式の交流用電気機関車（ED44形・ED45形）や交流用電車クモヤ790形が日本国内で試作され、各種の試験に供された。ここで得られたデータや技術は、以後の幹線の交流電化やそこで運転される車両にもに活かされ、やがては1964年（昭和39年）に開業する新幹線の成功にも繋がっていくことになる。
1957年（昭和32年）には交流電化区間が仙台駅まで拡大され、この年の7月から交流電化を用いた貨物列車の営業運転が始まった。9月には一部の旅客列車の営業運転にも当てられるようになり、10月には全列車の運転が電気機関車によるものとなった。作並機関区には、試験で用いられた交流用電気機関車と、ED14形やED17形といった直流用電気機関車が所属し、それぞれ仙山線で運用された。
交直両用車両の試験は1958年（昭和33年）から行われた。2つの異なった電化区間を直通運転するため、日本初の交直流両用電車としてクモヤ491形とクヤ490形が試作され、車上切り替えの試験が実施された。クモヤ491形とクヤ490形は試験終了後にそれぞれ旅客用車両クモハ491形とクハ490形として改造され、仙山線の臨時列車に使われた。
山寺駅から羽前千歳駅の間は奥羽本線の山形駅 - 羽前千歳駅間を含めて1960年（昭和35年）にいったん直流電化されたが、1968年（昭和43年）のヨンサントオと呼ばれるダイヤ改正の直前に仙山線全線は交流電化に統一された。これによって作並駅の交直流地上切り替え設備も役目を終えた。
また、1960年（昭和35年）には仙山線に準急列車が登場した。これは、仙台駅と新潟駅を結ぶ準急「あさひ」と、仙台駅と酒田駅を結ぶ準急「月山」である。この二つの準急列車は仙山線内で併結運転を行っており、1往復が設定されていた。1963年（昭和38年）には仙台駅と山形駅を結ぶ準急「仙山」3往復が運転を開始した。これらの準急列車はいずれも後に急行列車となった。
1984年（昭和59年）に仙山線は大きな変化を迎えた。仙山線の仙台駅 - 愛子駅の間にある駅は、開通当初から北仙台駅と陸前落合駅の2駅のみだったが、この年、この区間に請願駅として北山駅と国見駅が開業し、さらに仙台駅と愛子駅の間を往復する列車が設定された。これは、当時の仙台市北西部や宮城町において団地の開発が進んで住人が増え、通勤需要が生じたためである。この後、1988年（昭和63年）の東照宮駅、1991年（平成3年）の葛岡駅と、請願駅の開業が相次いだ。2000年代に入ると沿線の東北福祉大学が新駅設置に動き出し、JR東日本や仙台市と協議した。その結果、東北福祉大学が建設費を全額負担することで駅の設置が決まり、2007年（平成19年）3月18日に東北福祉大前駅が開業した。
かつて急行列車だった「仙山」は1982年（昭和57年）に快速列車へと変わり、ダイヤ改正の度にしばしば増発が行われた。1985年（昭和60年）には仙台駅と山形駅をノンストップで結ぶ特別快速「仙山」1往復が登場した。1990年（平成2年）には設備の改良で最高速度が95km/hに上がり、ノンストップ列車は仙台駅と山形駅を51分で結んだ。また、奥羽本線福島駅 - 山形駅間改軌工事の折、当該区間で列車運行が不可能であったことから、輸送力不足を補うために、455系電車9両編成によるノンストップの特別快速「仙山」の運転も見られた。しかし、1998年（平成10年）12月にノンストップの「仙山」はなくなり、これ以後、快速列車の停車駅は拡大していった。2001年（平成13年）には土曜・休日に途中停車駅を山寺駅と北仙台駅に限定した特別快速「ホリデー仙山」が誕生したが、2003年（平成15年）に廃止された。
仙台空港鉄道仙台空港線の建設にあたっては、仙山線の高速化および仙台空港アクセス線との相互直通化の調査を1999年（平成11年）度から国土交通省が行い、各界からも両件の実現を望む声が上がった。続いて東北運輸局も両件に関して「公共交通活性化総合プログラム」の調査を行った。仙台空港線は2007年（平成19年）に開業したが、仙山線と直通運転する定期列車は設定されていない。
1987年度（昭和62年度）以降の5年毎の統計では、全線（羽前千歳 - 仙台）の一日平均通過人員（輸送密度）は1997年度（平成9年度）をピークとして減少したものの、その後は横這い傾向になっている。区間別では、仙台 - 愛子間が大きく増加している一方、愛子 - 羽前千歳間では1992年度（平成4年度）をピークとして減少している。
バブル景気期以降、全線を通して乗車する利用客が減少傾向をみせる中、2004年（平成16年）からは、東北・山形自動車道経由で仙山間を結ぶ高速バス「仙台 - 山形線」の増発・運賃競争による旅客争奪戦も強いられてきた。ただし、両都市間の輸送はもとより、途中駅から仙台・山形両方面へ向かう乗客もおり、引き続き都市間連絡路線としての役割を担い続けている。また、大雪による運休が少ない仙山線は、冬季の運休が多く見られる山形新幹線のバイパス路線としても機能していることもあり、全線通しでの利用客数は下げ止まっている。また近年は、原油価格上昇によるバス運賃の値上げにより、割引回数券利用の場合はJRの方が安くなっている。なお、全線通しでの利用以外にも、仙台近郊以外の区間には立石寺（山寺駅）や作並温泉（作並駅）などがあり、観光目的での途中下車利用も多い。沿線にはかつて面白山高原スキー場、八森スキー場、仙台ハイランド等があり、各々最寄り駅が設置された。
他方、愛子盆地の人口増加と国道48号仙台西道路のラッシュ時の混雑により、愛子盆地住民の都心部への自動車・バスによるアクセス時間が延びてきたため、定時性のある仙山線通勤の需要が高まっており、愛子や陸前落合などの仙山線開業時からの駅の利用客の増加（参照1・参照2）が顕著にみられ、仙台近郊輸送に重点を置いたダイヤが組まれている。なお、1999年（平成11年）策定の仙台市の「アクセス30分構想」に基き、仙台市のオムニバスタウン事業において両駅の駅前広場が整備された。
便宜上、羽前千歳駅側の全列車が直通する奥羽本線山形駅までの区間を掲載。
小田原3丁目 - 4丁目のキリンビールの敷地（仙台駅 - 東照宮間）に新駅を設置する案が何度か出て、1986年12月には市議会に仮称小田原駅が請願されたが、今のところ実現には至っていない。
また、青葉区中江付近から北仙台駅までを高架化し、新石巻街道踏切付近に新駅（中江駅）を設ける構想もある。高架化案に対しては東照宮駅付近の景観を害するものだとして、地元住民から反発の声も上がっている。市議会の議事録における議員や市当局の発言をまとめると、中江付近の立体交差についてはJRも同意しているので、時期は未定だが建設される見込みである。一方で、複線化は難しいとのことである。