新幹線300系電車
1992年3月14日の導入時には、「のぞみ」2往復(早朝・深夜の各1往復・当時運転されているすべての「のぞみ」であった)と、日中の東京 - 新大阪間「ひかり」1往復(238号・243号)で運用されていた。
なお、導入前の1992年3月8日に試乗会がおこなわれ、同日に新幹線開発史において重要な存在である初代小田急3000形電車のさよなら運転があったので、新旧の節目と報じられた。
1993年3月18日のJRダイヤ改正で、本系列による東京 - 博多間直通運転が始まった。初めて1編成につき全区間を1往復半運用を組むことが可能になり、0系の置き換えのためにJ61編成までの増備を続けつつ、編成数削減による運用合理化を可能にした。
その後、増備が進むにつれて「ひかり」での運用も増えていった。後継車両の500系や700系の導入により2001年10月以降は「のぞみ」の定期運用から離脱し、引き替えに東海道新幹線の昼間の「こだま」にも充当されるようになったが、当時の「こだま」全列車と、「ひかり」のうち名古屋・京都の2駅のみ、または新横浜を加えた3駅停車の列車は100系との共通ダイヤが組まれており、最高速度を220 km/hに抑えて走っていた。そのため、2003年10月の品川駅開業によるダイヤ改正が行われるまでその性能を持て余す状況が長らく続いた。その反面、1996年から1997年には静岡県内停車タイプや名古屋 - 新大阪間各駅停車タイプの定期「ひかり」のほとんどが最高速度が270 km/hに引き上げられ、また2001年には山陽区間に限り270 km/h運転を行う「ひかり」が設定されるなどのダイヤ改正が行われた。これらの列車には300系が限定運用に入ることとなり、その性能が活かされることとなっていった。なおJ1編成はトランスポンダの関係から「のぞみ」での山陽区間への入線ができない時期があった。
前述の乗り心地改善工事が始まってからは、工事を受けていない初期のJ編成(J2 - J16・J19・J27編成)が「のぞみ」「ひかり」運用を追われ「こだま」専用になるなど、新旧の編成間で運用が分かれていた。
2011年3月12日のダイヤ改正でJ編成は山陽新幹線に乗り入れる定期運用が消滅したが、運用調整のためF編成の運用に充当する場合があった。
2007年から当系列の置き換え用として製作されたN700系の投入・増備が始まったことを受け、同年からJR東海所属のJ編成のうち、所定の経年である製造後13年を過ぎたものから運用離脱が始まった。
まず量産先行試作車のJ1編成が同年3月28日に浜松工場へ廃車回送され、3月31日付けで車籍抹消、同年7月21・22日の「新幹線なるほど発見デー」で展示され、16号車 (322-9001) 以外は4月末までに解体された。同編成は2003年以降営業運転から外れ、N700系をはじめとする新技術の開発に資するため試験車として代用されていたが、同系列の量産車登場によってその役割を終えた。
続いて同年7月11日付でJ14編成が廃車となり、量産車初の廃車となった。2007年度はこの後前半にJ2・J19のあわせて3編成が廃車になったのをはじめ、同年度後半にはさらにJ3, J4, J6, J8, J11の5編成が廃車となった。
J編成の廃車はN700系Z編成(後に改造され、現在はX編成)増備の進行と共に順次進められており、2008年度末までには前述の工事を受けていない20編成が廃車となり、2009年4月時点のJ編成の在籍本数は41編成(J20 - J26・J28 - J61編成)となっていた。J編成の全般検査は2010年6月9日に出場したJ61編成をもって終了した。
JR西日本所属のF編成に関しては2010年まで廃車されなかったが、博多総合車両所広島支所に疎開されていたF5編成が2011年7月11日に博多総合車両所広島支所 - 新幹線鳥飼基地間で、翌12日に新幹線鳥飼基地 - 浜松工場間で回送され、14日付で廃車されたのをはじめ、その後8月にF6編成が、9月にF2編成が、10月にF1編成が、11月にF4編成とF3編成が浜松工場に送られた。
2011年11月時点では、JR東海5編成・JR西日本3編成の計8編成まで数を減らした。
2012年3月17日のダイヤ改正において、300系はJR東海所属編成のほかJR西日本所属の9編成についても同社に残留していた100系とともに運用終了となった。JR西日本保有のF編成9編成の代替として、JR東海からJR西日本に同数の700系(C編成)9編成を譲渡した。
東海道新幹線における2012年1月10日以降の定期運用は次の通り。
「こだま」697号(三島6:50→新大阪9:53、F編成、3月12日まで)
「ひかり」501号(東京6:26→新大阪9:30、J編成、2月1日まで)
「こだま」659号(東京13:26→名古屋16:16、J編成、2月1日まで)
「ひかり」477号(東京15:03→岡山19:17、F編成、3月12日まで)
「こだま」807号(東京20:56→三島21:51、F編成、3月11日まで)
「ひかり」512号(新大阪10:13→東京13:10、J編成、2月1日まで)
「こだま」650号(新大阪10:50→東京14:47、F編成、3月12日まで)
「ひかり」482号(岡山16:26→東京20:40、F編成、3月11日まで)
「こだま」680号(名古屋19:28→東京22:17、J編成、2月1日まで)
また、山陽新幹線における2012年1月以降の定期運用は次の通り。
「こだま」727号(岡山6:50→博多9:53、F編成、3月13日まで)
「こだま」734号(博多7:10→岡山10:53、F編成、3月11日まで)
これにより、東海道新幹線での定期運用はJ編成は同年2月1日の「こだま」680号がJ57編成を使用して、F編成は同年3月12日の「ひかり」477号が、山陽新幹線での定期運用は同年3月13日の「こだま」727号がいずれもF8編成を使用してそれぞれ最終となった。
さよなら運転は2012年3月16日に以下の臨時列車により運行された(いずれも全車指定席)。このうち、山陽新幹線で運転された「のぞみ609号」については、同日に営業運転を終了する100系のさよなら列車「ひかり445号」と岡山駅の同一ホームでさよなら列車同士が並ぶ演出が行われた。
東海道新幹線:「のぞみ」329号、J57編成、(東京10:47→新大阪13:23)
山陽新幹線:「のぞみ」609号、F7編成、(新大阪10:52→博多13:28)
J編成はさよなら運転に使用されたJ57編成が2012年3月23日付で廃車をもって、全車廃車された。F編成は2012年度初めの時点でF7編成、F8編成、F9編成が残存していたが、2012年10月20日付でF9編成が廃車され形式消滅した。
322-9001(J1編成16号車) : 愛知県名古屋市港区 リニア・鉄道館
かつてはJR東海浜松工場に保存されていたが、リニア・鉄道館建設に伴い移設された。
かつては323-20(J21編成1号車)もリニア・鉄道館で保存展示されていたが、700系(723-9001、C1編成1号車)の搬入に伴い、入れ替わる形で2013年12月27日をもって展示を終了し、その後浜松工場に送られて解体された。
同じくリニア・鉄道館内には本系列のグリーン車座席や台車、パンタグラフなどが展示されている。
323-45(J46編成1号車) : 関西新幹線サービック(大阪府)
2010年6月に浜松工場から搬出され、車体を2分割した上で輸送された。通常は清掃作業の訓練用に使われるため非公開だが、福利厚生として公開される事が稀にある。