大和路線
大和路線ではすべて電車で運転されている。以下の各系列のうち通勤形電車の103系・201系は車体色が吹田総合車両所奈良支所所属車がウグイス(黄緑6号 )であり、2016年9月までは朝・夕ラッシュ時に森ノ宮支所所属の車両(車体色は朱色1号)も使用されていた。大和路線で使用する車両が配置されている奈良支所は、221系が大量投入されて以降は網干総合車両所からの221系・201系の転属にとどまり、通勤形車両は電化以来一度も新車が導入されていない。大和路線ではおおさか東線や片町線(学研都市線)からの直通列車でVVVFインバータ車両の207系・321系が運用されているものの、奈良支所には2022年現在もVVVFインバータ車両の配置がない状況が続いている。
221系(吹田総合車両所奈良支所所属)
1989年4月10日から営業運転を開始した大和路線の主力車両。全種別で運用され、和歌山線・桜井線(万葉まほろば線)にも乗り入れる運用がある。奈良支所には1989年から1991年にかけて78両が新製投入された。1997年以降、琵琶湖・JR京都・神戸線系統の新快速の223系・225系増備に伴い、余剰となった221系の転入が始まり、103系などの置き換えや編成両数増強が進められた。4・6・8両単独のほか、4両を2本繋げた8両編成でも運行されている。
2021年10月2日のダイヤ改正以降、後述の201系を順次221系に置き換えている。
201系(吹田総合車両所奈良支所所属)
すべて6両編成で2006年12月20日から営業運転を開始し、大和路線のほかに、早朝やラッシュ時には桜井線(万葉まほろば線)でも運用されている。おおさか東線・和歌山線の運用は2022年3月11日に終了した。
JR京都・神戸線の207系・321系投入に伴い2006年に明石支所から転入してきた車両と、大阪環状線・JRゆめ咲線の323系投入に伴い2017年以降に森ノ宮支所から転属してきた車両が配置されている。
2020年から2023年度にかけて、琵琶湖・JR京都・神戸線への225系の追加投入により、網干総合車両所に所属する221系が当線に転属し、201系を置き換える予定である。
205系(吹田総合車両所奈良支所所属)
2018年10月28日のダイヤ改正から0・1000番台が平日朝下りに1本のみ運転される奈良駅 - 王寺駅間の普通列車で運用を開始した。かつて阪和線向けに吹田総合車両所日根野支所に所属していた車両で、阪和線時代と同じ水色(青24号)の帯を巻く。現在は奈良線直通列車のみ木津駅 - 奈良駅で運用されている。
207系・321系(網干総合車両所明石支所所属)
木津駅 - 奈良駅間で学研都市線・JR東西線に直通する区間快速・快速として運転されている。かつては奈良駅 - 久宝寺駅間でおおさか東線に直通する直通快速として運転されていた。運行経路の関係上、奈良駅では学研都市線(木津駅経由)の快速・区間快速と、おおさか東線経由の直通快速で編成の向きが逆になっていた。
おおさか東線は2022年3月12日改正で普通が221系に変更されたものの、直通快速は引き続き207系と321系が運用されていた。2023年3月18日のダイヤ改正で直通快速が221系に置き換わり、奈良駅 - 久宝寺駅間の定期運用から撤退した。
287系(吹田総合車両所日根野支所所属)
3両編成が臨時特急「まほろば」で使用されている。
国鉄分割民営化後の使用車両を記述する。名古屋駅・亀山駅方面や電化前の片町線との直通列車に気動車が使用されたほかは、すべて電車が使用されていた。
103系(吹田総合車両所奈良支所所属)
6両編成は大和路線とおおさか東線、ラッシュ時には快速や和歌山線・桜井線(万葉まほろば線)でも運用されていた。2006年から前述の201系転入により本系列の6両編成はすべて置き換えられる予定であったが、おおさか東線の開業で6両編成の運用数自体が増えたため、全面的な置き換えには至らず少数が残存した。2017年から森ノ宮支所から転入した201系への置き換えが進み、2018年1月で定期運用を終了した。
4両編成は奈良線での運用が中心であるが、2016年9月までは大和路線でも2本連結して8両編成として大阪環状線へ直通する区間快速でも使用されていた。221系に置き換えられてウグイス色103系の大阪環状線直通は終了し、大和路線内の6両編成も2018年1月で運用終了したことで一旦は完全に撤退したが、2018年10月28日から再び4両編成が平日朝下りに1本のみ運転される奈良駅 - 王寺駅間の普通列車に205系4両編成と共通運用で充当されていた(但し平日1本のみなので日によって103系か205系のどちらかのみ。車両不足に伴う暫定措置)。2022年3月11日で205系に統一されて運用を終了した。
奈良支所所属の車両は電化時に投入された101系の置き換えのため、1983年から1985年にかけて導入された。これらは京阪神緩行線(JR京都・神戸線)への201系投入によって捻出された明石電車区(現:網干総合車両所明石支所)の車両や淀川電車区(当時)・森ノ宮支所などからの転入組、101系からの改造車で構成されており、長年に渡り関西圏や首都圏の各地から寄せ集められたため1編成の製造時期と形態が1両ごとに違う編成が多い。1986年11月1日国鉄ダイヤ改正で編成両数を短くしつつ日中の運転本数を増やす施策が取られたため、国鉄末期から1994年にかけては3両編成も運用されており、単独運転やラッシュ時を中心に2編成を併結した6両編成で運転されていた。しかし乗客増に伴い、1994年にJR京都・神戸線に207系が投入されたことにより捻出されたサハ103形を組み込んで4両編成化された。2022年3月11日を以て運転が終了した。
1994年まで奈良線用として木津駅 - 奈良駅間で使用されていた。
1973年に奈良駅 - 湊町駅(現在のJR難波駅)間が電化された際に、大阪環状線と直通する快速として運用を開始。1989年3月13日のダイヤ改正で大和路快速が設定され、221系が充当されていたが、しばらくは113系による大和路快速も運転されていた。1989年7月20日に大和路線の運用を終了した 。
奈良線用として使用されていたほか、阪和貨物線の錆取り列車として、王寺駅と阪和線の鳳駅間を1日1往復していた。この列車には、王寺駅に日中留置されていた117系が使用されていたが、103系が代走する場合もあった。
223系0・2500番台(日根野電車区(現:吹田総合車両所日根野支所、以下同じ)所属)
JR難波駅 - 関西空港駅間の関空快速で運用されていた。1994年9月4日から1999年5月9日までは2両編成で、1999年5月10日より5両・6両(3+3)・8両(5+3)のいずれかの編成で運転されていた。2008年3月15日にJR難波駅発着の関空快速が廃止されたことにより運用を終了した。
223系6000番台(宮原総合運転所(現:網干総合車両所宮原支所)所属)
2008年3月15日におおさか東線開業に伴って設定された直通快速として、4両編成を2本連結した8両編成で運転されていたが、2011年3月11日から北新地駅のホームドア設置に伴い207系に置き換えられた。
381系(日根野電車区所属)
加茂駅・木津駅 - JR難波駅・大阪駅間のやまとじライナーや、新大阪駅 - 奈良駅間の臨時特急「まほろば」で使用されていた。
亀山駅 - 加茂駅間の運用が中心であるが、2001年3月までは、朝ラッシュ時に奈良駅まで乗り入れる列車が1日1往復設定されていた。
1999年より名古屋駅 - 奈良駅間で急行「かすが」として1日1往復走行していたが、2006年に廃止されている。
亀山駅 - 奈良駅間で1994年まで普通列車として使用されていたが、同年4月10日にさよなら運転を行い撤退。また、1999年まで名古屋駅 - 奈良駅間で急行「かすが」に使用されていた。
関西本線は名古屋駅が起点であるため、大阪環状線直通列車は新今宮駅で列車の上りと下りが逆転するが、列車番号は全区間にわたって関西本線を基準としているため、大阪環状線内では他の列車が外回りが(上り列車に付ける)偶数、内回りが(下り列車に付ける)奇数であるのに対し、大和路線からの直通列車は外回りが奇数、内回りが偶数となっている。
吹田総合車両所森ノ宮支所と同奈良支所の103系は、それぞれの所属線区の上り・下りを基準にした編成の向きであるため、直通先において向きが逆になっていた(優先座席や号車表示は逆にならないようになっていた)。221系以降に配置された車両は、列車の上り・下りに関係なく東海道本線大阪駅基準に向きが統一されているため、直通快速を除いて他の列車と一致しなくなることはない。
大和路線に使用される103系・201系(ウグイス色の吹田総合車両所奈良支所所属車)は前面に白帯が塗ってあるが、これは踏切事故防止の目的で塗られている警戒色である。湊町駅(現在のJR難波駅) - 奈良駅間の電化開業時には黄色(黄5号)に塗られていた。1990年度には昼間にも前照灯を点灯するようになったためか、黄色帯が撤去された。しかし、保線従事者から車両と山の色が類似して識別が困難との指摘があり、1996年度に白色帯が前面につけられた。
2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震(東日本大震災)の影響により電動機に使用している部品を製作しているメーカーが被災して製造の見通しが立たず、使用できない車両が発生する恐れがあることから、2011年4月11日から日中の快速が大和路線内で運転休止になり、大和路快速が大阪環状線への直通運転を取り止める予定であったが、部品調達の目処が立ったのでこの措置は行われず、4月11日以降も通常のダイヤで運転されることになった。
奈良駅 - 郡山駅間(所在地は奈良市大森町 - 同市八条4丁目間)において鉄道高架化を進め、さらにこの区間内で、京奈和自動車道の奈良インターチェンジ(仮称)に隣接する南側付近に新駅を設置する計画がある。奈良県は、2016年7月19日付で国土交通省から都市計画事業の認可を取得した。2021年6月に工事を着手し、2028年度に完了する予定。事業認可取得時点では、2024年度までの予定だった。駅ナンバー「JR-Q35」は新駅のために欠番となっている。