JR西日本521系電車
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2024年（令和6年）4月1日現在、金沢車両区にU編成15本30両、同区敦賀支所にE編成5本10両が配置されている。2024年（令和6年）3月16日に金沢駅 - 敦賀駅間が第三セクターに転換されたことに伴い、16編成32両がIRいしかわ鉄道に、同じく16編成32両がハピラインふくいに譲渡され、JR西日本が所有する521系は20編成40両となった。
2024年（令和6年）3月16日現在の運用線区は以下の通り。
E編成（0番台）
北陸本線：米原駅 - 敦賀駅間（全線）
湖西線：近江今津駅 - 近江塩津駅間
U編成（100番台）
IRいしかわ鉄道線：金沢駅 - 津幡駅間
七尾線：津幡駅 - 七尾駅間
E編成は湖西線走行に必要なATS-P保安装置を搭載していることや、福井・滋賀両県の公的支援をもとに製造されている関係で、沿線自治体に配慮するため敦賀駅以南でのみ運用される。また、ATS-P非搭載の521系（第三セクター鉄道会社保有分含む）が吹田総合車両所にて車両検査を受ける際には、敦賀駅以西の区間でE編成を前側に併結し回送運転を行っている。
2017年（平成29年）3月4日時点の運用線区は以下の通り。
北陸本線：米原駅 - 金沢駅間（全線）※J・G編成は敦賀駅以北のみ（敦賀駅以南への乗り入れは不可）
湖西線：近江今津駅 - 近江塩津駅間 ※E編成のみが入線（ATS-P導入路線のため、J・G編成は乗り入れを行わない）
敦賀駅 - 福井駅間では2両編成（一部は4両編成）、福井駅 - 金沢駅間では4両編成（一部は2両編成）を基本に運行されている。以前は朝の福井発金沢行き（元の津幡行き）1本と松任駅 - 金沢駅間の系統では6両編成の列車も設定されていた。米原駅・近江今津駅 - 敦賀駅間の本系列による普通列車は全て2両編成で運転されている。2両編成は全ての区間でワンマン運転が実施されている。
導入された2006年（平成18年）から2009年（平成21年）度増備車が落成するまでの間は、北陸本線米原駅 - 福井駅間および湖西線近江今津駅 - 近江塩津駅間の普通列車で運用されていた。これにより、米原駅・近江今津駅 - 敦賀駅間で運用されていた419系などは、本系列や125系・223系に置き換えられた。
2009年（平成21年）3月14日からは小浜線でも運転を開始し、同線ではワンマン運転も開始された。これによりキハ48形が撤退して以来、17年半ぶりに3線共通運用車両が復活した。なお、小浜線での定期運用は1年後の2010年（平成22年）3月13日のダイヤ改正で消滅したが、その後も125系2両編成ワンマン運転の一部運用を車掌乗務で代走することがある。
2009年（平成21年）度の増備に伴い、北陸本線福井駅 - 金沢駅間でも営業運転を開始。2011年（平成23年）3月12日のダイヤ改正により、敦賀駅 - 金沢駅間の普通列車は、運転系統上福井駅まで乗り入れる越美北線を除き、原則として本系列のみで運用されるほか、同改正では朝の下りに福井発津幡行きが新設され、定期運用で初めて金沢駅から先に乗り入れる列車が設定された。
また、同年4月2日から4月7日まで東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）の影響による車両部品（直流モーター用カーボンブラシ）の不足のために一時的な本数の削減や行先変更が実施された際は、本系列が臨時列車として平日のみ4両編成で金沢駅 - 津幡駅間を往復した実績がある。
毎年5月に開催される（2009年（平成21年）のみ秋に開催された）ウォーキングイベント「若狭・三方五湖ツーデーマーチ」の開催当日は、敦賀駅 - 小浜駅間で臨時列車が運転される。通常小浜線で運用される125系では車両が不足することから、2011年（平成23年）5月21日・22日には敦賀地域鉄道部金沢総合車両所敦賀支所車両管理室の車両が4両編成で「若狭・三方五湖ツーデーマーチ」2・3号に充当された。
2012年（平成24年）3月17日のダイヤ改正では津幡駅 - 富山駅間でも2両編成による営業運転を開始した。
2014年（平成26年）3月15日のダイヤ改正では、金沢駅 - 富山駅間での本系列による運転本数が大幅に増加。過半数が本系列による運用となり、金沢駅 - 富山駅間でも4両編成による運用が行われるようになった。これにより、朝の福井発津幡行きが金沢行きに変更となったため、ほとんどが金沢駅で系統分離されることになった。
2014年（平成26年）10月18日のダイヤ修正では富山駅 - 泊駅間で、同年12月20日より泊駅 - 糸魚川駅間でも営業運転を開始し、2015年（平成27年）3月の金沢駅以東の三セク転換まで運用された。また、このダイヤ修正で金沢駅 - 富山駅間の日中時間帯（10時 - 15時）の2両編成による普通列車（高岡駅折り返しの富山駅発着の普通列車を含む）において後乗り・前降り方式（この区間唯一の無人駅である倶利伽羅駅のみ対象）によるワンマン運転が開始され、2015年（平成27年）3月の金沢駅以東の三セク転換まで続いたが、IRいしかわ鉄道・あいの風とやま鉄道への経営移管後は金沢駅 - 石動駅間ではワンマン運転を実施しておらず、石動駅以東のワンマン運転時でも自由乗降方式へ変更された。
2017年（平成29年）3月4日のダイヤ改正で敦賀駅 - 福井駅 - 金沢駅間の昼間時間帯（10時 - 16時）の2両編成による普通列車（小松駅折り返しの金沢駅発着の普通列車を除く）において後乗り・前降り方式によるワンマン運転が開始された。無人駅と一部の簡易委託駅では乗車時に1両目の後扉（入口）付近で整理券を取り、降車時に整理券と現金または切符を運賃箱へ投入して車内精算する方式であった（2両目の扉は締切扱い）。ICOCAなどの交通系ICカードの場合はICカードを運転士に見せてから降車し、駅の改札口にタッチする方式を採用していた。
2019年（平成31年）3月16日のダイヤ改正で、ワンマン運転の区間が北陸本線米原駅 - 敦賀駅間と湖西線近江今津駅 - 近江塩津駅間にも拡大され、北陸本線米原駅 - 金沢駅間と湖西線近江今津駅 - 近江塩津駅間を運転する2両編成による普通・快速列車は全てワンマン運転が実施された。
この時にワンマン運転の方式を改め、あいの風とやま鉄道と同じく自由乗降方式となり、無人駅でもすべての扉が開くようになった（押しボタンによる半自動扱い）。乗車時に車内で整理券は発券されず、切符は駅の運賃箱に投入する従来の方式に戻った。
2017年（平成29年）3月4日に旧敦賀運転センター所属車が金沢総合車両所に全車転属したが、2020年（令和2年）3月14日付でE編成が旧敦賀運転センターに戻り、2023年（令和5年）3月18日付で2次車5本・3次車11本が敦賀支所に転属した。
2020年（令和2年）10月3日のダイヤ修正より、100番台のJR西日本車が七尾線内での営業運転を開始した。
2021年（令和3年）3月13日のダイヤ改正では福井駅 - 七尾駅間での6両編成の運用が無くなり、七尾線ではワンマン運転が開始された。後乗り・前降り方式は前述の通りだが、ICOCAなどは「車載型IC改札機」でタッチする方式を採用している。2023年（令和5年）8月1日からは、北陸本線と同様に自由乗降方式となった。
2023年（令和5年）4月1日時点において、金沢総合車両所に2両編成のG編成6本、J編成10本、100番台のU編成15本、計31編成62両が、金沢総合車両所敦賀支所にE編成5本、G編成5本、J編成11本、計21編成42両がそれぞれ配置されていた。