山手線
運行形態

| 時間帯 | 山手線> 内回り | 山手線> 外回り | 中央線快速> 東京駅発着 |
| --- | --- | --- | --- |
| 7時台 | 17本 | 14本 | 17本 |
| 8時台 | 19本 | 16本 | 26本 |
| 9時台 | 18本 | 15本 | 20本 |
山手線は、首都から放射状に伸びる鉄道網の起終点となる主要ターミナル駅を結ぶ首都内完結路線として、高頻度の運転を実施している。
複数の線区（山手線・東北本線・東海道本線）を走ることや、運行形態が環状運転であるため、運行方向は上り・下りではなく外回り・内回りという表現が旅客案内に用いられる。環状線路の複線外側を左側走行する列車が外回り（時計回り：品川駅 → 渋谷駅 → 新宿駅 → 池袋駅 → 上野駅 → 東京駅 → 品川駅）、複線内側を左側走行する列車が内回り（反時計回り）である。
運転本数は都心部の旅客需要を満たすため多く、平日朝ラッシュ時は約3 - 4分間隔、土休日日中時間帯は約4分間隔、平日日中は5分間隔、平日夕ラッシュ時間帯は約4 - 5分間隔で運行されている。ただし、始発・最終付近（早朝・深夜）は運行間隔が広がる。非常に高頻度のダイヤとなっているが、平日朝の本数は中央線快速よりも少ない。これは、新宿駅など利用者の多い駅での乗降に時間を要し、山手線の運転間隔を短縮できないためである。中央線快速でも新宿駅では乗降に時間を要しているが、一方向につき1面2線のホームを設け、先行列車と後続列車を別々の番線に振り分けて乗降を行う相互発着を行うことで運転間隔を短縮している。
当路線には列車種別設定がなく、すべての電車で停車駅パターンは一定で、平行ダイヤが組まれている。1周34.5 kmにかかる時間は日中（b速）の場合は59分（起・終点駅での停車時間を除く）である。当路線自体には列車種別設定がないが、京浜東北線が快速運転する日中の時間帯には並行区間で山手線が各駅停車の役割となる緩急分離運転が実施されている。快速停車駅間、特に田端駅 - 上野方面間、上野駅 - 東京方面間、秋葉原駅 - 浜松町方面間、東京駅 - 浜松町方面間の各区間乗車の場合、京浜東北線快速を利用した方が速いが、運転間隔が異なるため京浜東北線を利用しても必ずしも早く到着するとは限らない。同様の環状運転を行う大阪環状線や名古屋市営地下鉄名城線とは異なり、他線区から環状運転系統の線路に乗り入れたり、種別が変わったり、途中駅で折り返して反対方向に運転したり、大阪環状線のように優等列車として運転したりする電車はない。
一度運用についた電車は、基本的には終日同じ方向への環状運転を行っている。途中駅が終点となる電車は、平日午前中の池袋行きと毎日夜間の品川・大崎行きのみである。また、途中駅が始発となる電車は、毎日朝方の田町発と、平日午後の池袋発がある。
環状運転する電車の各駅での行き先案内は、主要6駅（東京駅、上野駅、池袋駅、新宿駅、渋谷駅、品川駅）から直近の2駅を挙げて「○○・△△方面行き」としている（たとえば、有楽町駅での外回り電車は品川・渋谷方面行きと案内する）。
列車番号は、ダイヤ上の分界駅である大崎駅を基準としている。外回りは奇数、内回りは偶数で、「大崎駅発時（24時間）」+「当該編成の当日の運用番号」として、末尾に「G」をつけている。したがって、山手線を約1時間かけて1周した電車は、大崎駅で列車番号の「大崎駅発時」部分を変えて引き続き運転される（ただし、大崎行きの電車を除く）。なお、ほかの駅が始発となる電車で大崎駅を00分以前に発車する電車は「始発駅発時（24時間）」を-1する。
山手線は平日には外回りが328本、内回りが322本、計650本が1日に運行されている。土曜・休日には外回り297本、内回り286本の計583本になる。2007年3月18日の改正で外回りでは平日の朝ラッシュ時に1本増発、夕方ラッシュ時に1本削減し全体での運行本数は変わらず、休日も変動はなかったが、内回りは平日は4本、土曜・休日は5本の削減となった。この改正以降、2分20秒間隔で1時間25本を運行している。改正前日の17日までは2分30秒間隔で24本の運行であった。これは車両が205系からE231系になり、アナログATCがデジタルATCになったことで1分 - 1分40秒短縮することができたためである。
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |
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| 項 目 ＼ 時 間 帯 | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 平日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ | 土曜・休日ダイヤ |
| 項 目 ＼ 時 間 帯 | 内回り | 内回り | 内回り | 内回り | 内回り | 内回り | 外回り | 外回り | 外回り | 外回り | 外回り | 外回り | 内回り | 内回り | 内回り | 内回り | 内回り | 内回り | 外回り | 外回り | 外回り | 外回り | 外回り | 外回り |
| 項 目 ＼ 時 間 帯 | 始発 | 始発 | 始発 | 終着 | 終着 | 終着 | 始発 | 始発 | 始発 | 終着 | 終着 | 終着 | 始発 | 始発 | 始発 | 終着 | 終着 | 終着 | 始発 | 始発 | 始発 | 終着 | 終着 | 終着 |
| 項 目 ＼ 時 間 帯 | 大崎 | 池袋 | 田町 | 大崎 | 池袋 | 品川 | 大崎 | 池袋 | 田町 | 大崎 | 池袋 | 品川 | 大崎 | 池袋 | 田町 | 大崎 | 池袋 | 品川 | 大崎 | 池袋 | 田町 | 大崎 | 池袋 | 品川 |
| 04-05 | 7 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 4 | 1 | 2 | 0 | 0 | 0 | 6 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 3 | 1 | 2 | 0 | 0 | 0 |
| 06-07 | 8 | 5 | 2 | 0 | 0 | 0 | 17 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 3 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 5 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 08-10 | 0 | 0 | 0 | 7 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 8 | 2 | 0 | 2 | 2 | 2 | 0 | 0 | 0 | 7 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
11-14: 0
| 15-17 | 3 | 2 | 0 | 0 | 0 | 0 | 4 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 18-22 | 0 | 0 | 0 | 7 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 3 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 7 | 3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 7 | 0 | 0 |
| 23-01 | 0 | 0 | 0 | 6 | 2 | 5 | 0 | 0 | 0 | 7 | 4 | 5 | 0 | 0 | 0 | 3 | 1 | 5 | 0 | 0 | 0 | 4 | 3 | 5 |
| 小計 | 18 | 9 | 2 | 20 | 4 | 5 | 25 | 2 | 3 | 18 | 7 | 5 | 11 | 6 | 2 | 10 | 4 | 5 | 15 | 1 | 3 | 11 | 3 | 5 |
| 計 | 29 | 29 | 29 | 29 | 29 | 29 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 30 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 | 19 |
例外的な運用として、後述のリフレッシュ工事の日で田端駅 - 田町駅間を京浜東北線と線路を共有する時間帯は、この区間の運転本数を削減するために池袋駅と大崎駅の間を往復する電車が5本に1本程度設定される。このため、大崎駅 - 田町駅間および池袋駅 - 田端駅間は運転間隔が少し長くなる。
また、1956年11月19日に山手線と京浜東北線の線路が分離され、両線とも運転本数が増やされたが、増えた車両数に対応する車庫の建設が追いつかなかったため、一部編成を京浜東北線の蒲田電車区や下十条電車区（現在の下十条運転区）に留置させる必要が生じ、特に後者は山手線車両の配置も一時的に実施された。この関係で、早朝・深夜のみ、山手線 - 京浜東北線間を直通する蒲田発着列車や東十条発着列車が運転されていた。この列車は1967年に品川電車区（現・東京総合車両センター東エリア）が完成したことにより廃止された。
毎年10月の休日（ほとんどは体育の日）に途中無停車の団体専用臨時列車が運行されている。これは大崎周辺まちづくり協議会主催によるイベント「しながわ夢さん橋」の企画として運行されるもので、大崎駅から出発し山手線を1周して大崎駅に戻るものである。2006年までは内回り方向、2007年以降は外回り方向で走っている。2016年10月の運行では、当時1本しかなかった最新鋭のE235系トウ01編成を使用。また2017年の運行で通算30回目を超え、2020年10月11日の運行が通算33回目となった。これ以外にも、8月最後の土曜日の東京総合車両センター一般公開と合わせて、びゅうが企画するツアーの申込者を限定とした団体列車が運転されることがある。これも「しながわ夢さん橋」企画と同じく、大崎駅出発で途中駅をすべて通過し、大崎駅へ戻る臨時列車である。このほかにも2005年に運行された「山手線開業120周年」記念列車も途中ノンストップであった。
大晦日から元旦にかけての終夜運転は、外回りが10分間隔、内回りが12分間隔で運転される。このとき、原宿駅では明治神宮参拝客用臨時ホームが利用されていた。その後臨時ホームを拡幅する常設化工事を実施していたが、2020年3月21日に新駅舎とともに供用開始され、原宿駅は変則相対式の2面2線のホーム体制となった。