上越線
冬季の設定ダイヤも運行本数はそれほど多くなく、下りは朝8時台の2本を除いて1時間に1本程度で、15時以降は2時間運行されない時間帯もあり、18時台の越後湯沢駅発で終了する。上りは始発から16時台の2本以外は、1時間1本程度の運行であり、19時台のガーラ湯沢駅発で終了する。ただし、上下線とも多客期には臨時列車の増発や最終列車の繰り下げもしばしば実施される。
シーズン中、越後湯沢駅とガーラ湯沢スキー場の間は無料シャトルバスも運行されており(近隣のスキー場やホテルも経由する)、列車のない時間帯の交通を補完している。
E257系(大宮総合車両センター所属) - 特急「草津・四万」
E231系(小山車両センター・国府津車両センター所属)
E233系(小山車両センター・国府津車両センター所属)
高崎線および両毛線直通列車として、高崎駅 - 新前橋駅間で運用されている。
E129系(新潟車両センター所属)
2015年11月26日に越後中里駅 - 宮内駅間で運用を開始し、2016年3月のダイヤ改正ではATS-Pの導入に伴い水上駅 - 宮内駅間の115系の運用をすべて置き換えた。
211系(高崎車両センター所属)
両毛線直通列車や2016年8月22日より高崎駅 - 水上駅間で運用されている。かつては高崎線直通列車としても運用されていた。
HK100形(北越急行所属)
北越急行ほくほく線直通列車として、上越線では越後湯沢駅 - 六日町駅間で運用されている。
キハ110系気動車(長野総合車両センター所属)
飯山線直通列車として、越後川口駅 - 宮内駅間で運用されている。
貨物列車の牽引については、次の電気機関車が担当している。
EH200形(高崎機関区所属)
2009年3月14日ダイヤ改正で上越線での運用を開始。EF64形が全機愛知機関区へ配置転換されたため、翌2010年3月13日のダイヤ改正ですべての定期列車がEH200形に置き換わった。
40系 - 高崎車両センター所属。両毛線・吾妻線用。高崎-渋川間で運用。
クハ68形 - 長岡車両センター所属。短編成化で不足する後述の70系の制御車として使われ、70系同様に耐寒耐雪改造を受け新潟色に変更。
72系 - 新前橋電車区所属。高崎-水上間等の区間列車に運用。
70系(編成内に80系を含む) - 長岡運転所所属。4両または6両編成化のうえ耐寒耐雪改造を受け、雪の中でも目立つ新潟色に塗色変更。制御車化改造を受けたクハ75形も含まれる。他に新前橋電車区所属の両毛線・吾妻線用車が高崎-渋川間で運用。
80系 - 準急「ゆきぐに」「奥利根」「ゆけむり」「みくに」「草津」など。普通列車にも運用。
32系 - 前述の80系の編成に混用。
115系 - 新潟車両センター、高崎車両センター所属。全線で運用されていたが、水上駅以北(新潟車両センター所属車)は2016年、水上駅以南(高崎車両センター所属車)は2018年のダイヤ改正をもって運用を離脱。
153系 - 準急「ゆきぐに」、ほか急行など。
155系 - スキー臨時列車など。
157系 - 特急「白根」
165系 - 急行「佐渡」「越路」「越後」「弥彦」「よねやま」「ゆきぐに」「ゆざわ」「奥利根」「ゆけむり」「伊香保」「草津」、快速「ムーンライトえちご」など。普通列車にも運用。
161系・181系 - 特急「とき」「新雪」
183系・189系 -  特急「とき」「新雪」、快速「ムーンライトえちご」など
485系 - 特急「はくたか」「いなほ」「鳥海」、快速「ムーンライトえちご」
489系 - 特急「はくたか」、急行「能登」
681系・683系 - 特急「はくたか」
107系 - 高崎車両センター所属。当初は高崎駅 - 水上駅間で運用されていたが、晩年は両毛線直通列車として、上越線内は高崎駅 - 新前橋駅間のみの運用となっていた。
E127系 - 新潟車両センター所属。E129系の故障で急遽運用に入ったことがある。
185系 - 特急「草津」「水上」、快速「シーハイル上越」など
651系 - 大宮総合車両センター所属。特急「草津」
キハ58系 - 急行「鳥海」「よねやま」「野沢」「うおの」、準急「奥利根」「みなかみ」「みくに」「草津」など。只見線や飯山線に直通する普通列車などにも運用。
キハ81系 - 特急「いなほ」
14系 - 寝台特急「北陸」
20系 - 寝台特急「北陸」、急行「天の川」など
24系 - 寝台特急「あけぼの」「鳥海」「出羽」
停車場・施設・接続路線
上越線は、群馬県から新潟県へと抜けるために、三国山脈を越える路線であるが、高崎駅から渋川駅あたりまでは関東平野の北西端ということもあり、平地が多い。
高崎駅を出ると、信越本線の線路をくぐり、進路を北東に変える。すぐに、上越新幹線と北陸新幹線の高架をくぐると、住宅街が広がる中を進む。高崎問屋町駅を出ると、程なく井野川を渡り、井野駅に到着する。井野駅を出ると、だんだんと畑や田が目に入るようになる。関越自動車道の高架をくぐると、進行方向両側に日高遺跡が確認できる。これは、関越自動車道の工事時に発見されたもので、現在では公園として古墳などが整備されている。右手にフォレストモール新前橋が見えると、新前橋駅に到着する。
新前橋駅を出ると、急なカーブで進路を北に変え、住宅街の中を進む。群馬総社駅を出ると、だんだんと畑が増えてくるとともに、工場が右手に見えるようになってくる。また晴れている場合には、右手に赤城山、左手に榛名山が見えるようになる。この間に吉岡町を通過する(駅は設置されていない)。八木原駅からは進路を北西に変え、関越自動車道の高架をくぐる。左手に住宅街が広がるようになり、右手に大同特殊鋼の渋川工場が見えると程なく渋川駅に到着する。
渋川駅を出ると、利根川を渡る。東京や埼玉方面から高崎線経由で来た場合には、初めてこの川を渡ることになる。この橋梁の北側で、利根川と吾妻川が合流する箇所があり、車窓左手からはこれがよく見える。橋を渡ると段々と山が迫り、またそれに伴って勾配を上っていく。敷島駅を過ぎると、これも先と同じく、初めてのトンネルを通る。津久田駅を過ぎると利根川を再び渡り、西岸に出る。こんにゃく畑をかすめ、三度目の利根川を渡ると、すぐ棚下トンネルに入る。トンネルを抜けると、四度目の利根川を渡ることになるが、この橋は当線の撮影スポットであり、SL列車「SLぐんま みなかみ」などが減速することもある。津久田駅から岩本駅までは国道17号や利根川と並走する途中で綾戸ダムを確認できるが、これは東京電力・佐久発電所の取水ダムであり、ここで群馬用水が分岐している。岩本駅の先では片品川の河岸段丘を確認できる。五度目の利根川を渡り、景色が開けると、沼田駅に到着する。
沼田駅を出ると後閑駅辺りまでは住宅や田畑が広がるが、同駅を過ぎると、利根川が左手に迫り、山が迫るようになる。上牧駅を越えてしばらくすると利根川の川幅は一段と狭まり、大きな岩も目立つようになる。このあたりは「諏訪峡」と呼ばれるが、川沿いに進むのは下り線のみで、上り線は途中から長いトンネルとなる。水上温泉のホテルが見えると、程なく東京近郊区間の末端である水上駅に到着する。
水上駅から越後中里駅までは、1日5往復前後しか定期旅客列車が運行されていない閑散区間になる。水上駅を出てすぐ六・七・八度目の利根川を渡ると、利根川と別れ、代わって湯檜曽川が土合駅付近まで並行するようになる。湯檜曽駅の手前では左手にはスキー場が見える。下り線は湯檜曽駅手前で谷川岳を貫く新清水トンネルに突入するため、同駅と次の土合駅は下り線のみ地下駅になっている。土合駅は地下深い場所にホームがある「モグラ駅」として有名である。また同駅は付近に谷川岳へのロープウェイが整備されており、夏は登山客で賑わう。なお、湯檜曽駅、土合駅ともに上り線は地上にある。その上り線の湯檜曽駅と土合駅の間にはループ線が、土合駅の宮内寄りには清水トンネルが存在し、新清水トンネル同様に谷川岳を貫いている。清水・新清水トンネルを出ると、新潟県に入り、以降越後川口駅の手前まで並行する魚野川を渡る。一旦上下線が合流するが、土樽駅を過ぎると再び分かれ、下り線はカーブで勾配を緩和しながら坂を下り、上り線はループ線の坂を登って、越後中里駅までに合流する。
なお、川端康成の小説『雪国』の冒頭の「国境の長いトンネル」とは単線時代の(現在は上り線の)清水トンネルのことであり、冒頭の場面で主人公の島村と同じ汽車に乗り合わせた葉子が駅長を呼ぶ場面は当時の土樽信号場(現在の土樽駅)が舞台である。
その後、新潟県屈指の温泉越後湯沢温泉を擁し、前述の『雪国』の舞台になった湯沢町の玄関駅、越後湯沢駅に到着する。同駅には上越新幹線も乗り入れており、付近には冬は首都圏から気軽に行けるスキー場が多くあり、スキー・スノーボード客で賑わっている。
観光エリアの越後湯沢を後にし、六日町周辺では、右手に見える魚野川によって形成された河岸段丘地帯を進む、両脇を山々が路線に平行に連なっている。一帯は日本でも有数の稲作地帯である。六日町駅で直江津方面への短絡経路である北越急行ほくほく線が分岐していく。
六日町地域を過ぎ、なお魚野川を右手に見て進み、浦佐駅で再び上越新幹線と接続する。浦佐駅を出ると、只見線との乗換駅である小出駅までは再び長閑な田園風景が続く。小出駅を過ぎると、線路は大きく左へとカーブする。両脇の丘陵が一気に迫り、トンネルが増え、車窓にも変化が見られる。
線路は北堀之内駅の先で魚野川右岸へと渡り、左手に緩やかに流れる川を見るようにして越後川口駅へと到着する。付近で谷川岳を源流とし、幾多の流れが集まった魚野川は長野県から流れてきた信濃川に合流する。同様に上越線は、長野からやってきた飯山線と越後川口駅で接続する。
小千谷駅からは、新潟近郊区間に入る。榎峠トンネルを過ぎると、急速に周囲が開け、越後平野に入る。越後滝谷駅を過ぎ、国道17号としばし並走しながら越後平野を一直線に進む線路は、左から合流してくる信越本線とともに、上越線の終点宮内駅へと滑り込む。越後湯沢方面からの普通列車はすべて一駅先の長岡駅まで運行されている。
各年度の平均通過人員、旅客運輸収入は以下の通り。
※六日町駅の乗車人員には、上越線とほくほく線を直通する列車で六日町駅を通過するだけの乗客の数も含まれる。