奥羽本線
なお、新庄駅以北大曲駅以南 - 秋田駅間の普通・快速列車は前述のように一括りの系統となっている。ほとんどの列車は秋田駅を境界とし以北とは系統分離がされているが、早朝の下り1本のみ横手駅→追分駅と秋田駅を越える列車がある(列車番号は423M→2627Mと変わるが旅客案内上は同一列車案内)。そのほかにも秋田駅到着後に行先を変更して実質的に直通する列車がある。
全国花火競技大会新作花火コレクション時も含むには、秋田駅→大曲駅間の快速列車「花火」が設定される。この列車は標準軌の秋田新幹線のルートでの走行となるため、大曲駅、神宮寺駅下りホームのみ、刈和野駅下りホームのみ、秋田駅以外の駅ではホームが無いのですべて通過するか、停車したとしても、神宮寺駅と刈和野駅を含めて旅客乗降を扱わない運転停車扱いとなる。花火大会の臨時輸送の際は、盛岡駅の田沢湖線ホームに新幹線車両が停車する光景が見られることもある。
当区間は湖西線・北陸本線・IRいしかわ鉄道線・あいの風とやま鉄道線・えちごトキめき鉄道日本海ひすいライン・信越本線・白新線・羽越本線とともに「日本海縦貫線」を形成していることから、通称として当区間を「奥羽北線」、福島駅 - 秋田駅を「奥羽南線」と称することがある。これらは全線開通前に「奥羽北線」「奥羽南線」と呼ばれた区間とは異なる。
優等列車以外は、大きく分けて秋田駅 - 大館駅間、大館駅 - 弘前駅間、弘前駅 - 青森駅間の3系統に分割された運行体系となっており、さらに秋田駅 - 八郎潟駅・東能代駅間、鷹ノ巣駅 - 大館駅・弘前駅間および碇ヶ関駅 - 弘前駅間の区間列車や、秋田駅 - 追分駅間では男鹿線、弘前駅 - 川部駅間では五能線への直通列車がそれぞれ設定されている。おおむね1 - 2時間に1本程度の運行であるが、秋田駅 - 追分駅・八郎潟駅間、弘前駅 - 青森駅間では1時間に1 - 3本程度運行されている。また、秋田駅 - 青森駅間の直通列車が2019年3月改正の時点で毎日1.5往復設定されている。一部列車はワンマン運転を行っている。2010年代半ば以降、大館駅での系統分割が減少し、弘前駅での系統分割が増加する傾向にある。上りのみ羽越本線への直通列車も運行されており、東能代発酒田行きが2本、休日運休の八郎潟発新屋行きが1本運行されている。 2016年3月26日の改正で、津軽新城駅 - 青森駅間の列車が新設され、そのうち夕方の1本は、津軽線蟹田発津軽新城行きで運行される。そのため津軽新城駅 - 青森駅では毎時2 - 3本運転されている。
2010年12月4日の改正において、青森駅 - 弘前駅間で朝5時台の列車と弘前駅終着時刻が日付を跨ぐ最終列車、弘前駅 - 大館駅間で5時台と22時台に列車が増発された。
2019年4月現在、下りには夕方から夜にかけて秋田から弘前・青森行きの快速列車が各1本、上りには朝に大館と弘前から秋田行きの快速列車が各1本(計2往復)設定されている(ただし2018年のダイヤ改正以降、これらの快速列車は秋田駅から八郎潟駅まで各駅停車となった)。このうち朝6時台の大館発秋田行き快速列車は、2002年11月30日までこの区間で設定されていた快速「しらゆき」のうち最速達列車であった「しらゆき2号」のダイヤを引き継いだものである。残り3本は2016年3月26日のダイヤ改正で減便された特急「つがる」の代替で設定されたものであり、このため弘前発着の列車も青森方面との接続が考慮されていて、3本とも秋田駅 - 青森駅間を特急と大差ない3時間前後で到達可能なダイヤである。2016年3月25日まではこのほかにも、かつて秋田駅 - 鹿角花輪駅(花輪線)間で設定されていた急行「よねしろ」(2002年12月1日より快速に格下げ)のダイヤを引き継いだ秋田駅 - 大館駅間の快速列車1往復(下り秋田発18時台、上り大館発8時台)が運転されていたが、その後、前述の快速列車と時刻が近接するためそれらに統合され廃止となっている。これらは2008年3月14日までは唯一の奥羽本線 - 花輪線直通列車として国鉄キハ58・28形気動車で運行されていた。
また、秋田駅 - 東能代駅間と弘前駅 - 青森駅間で五能線直通の観光列車「リゾートしらかみ」が1日3往復(冬期は最大2往復。通常は土曜・日曜日のみの1往復)運転されている。
1999年頃の大館駅 - 弘前駅間の下りは、8時前後頃から14時前後頃までの間に普通列車が無く、5 - 6時間も運転間隔が開いていた。後にこの時間帯に弘前駅 - 大館駅間に1往復毎日運転の臨時列車が設定され、2008年3月15日のダイヤ改正で定期列車化の上、大館駅で接続していた秋田方面との列車と統合され、下りが酒田駅→弘前駅間の列車に、上りが弘前駅→秋田駅間の列車となった。この列車は後に下りも秋田始発となり、2010年12月4日のダイヤ改正で秋田駅 - 大館駅間と大館駅 - 青森駅間の列車に分割された。そしてこの改正で、新たに大館駅 - 弘前駅間が毎日運転の臨時列車(下り大館発12時台、上り弘前発10時台)となる大館駅 - 青森駅間の列車が1往復新設された。2014年3月15日のダイヤ改正で弘前駅で系統分割され、大館駅 - 弘前駅間の毎日運転の臨時列車は下り大館発11時台、上り弘前発9時台に設定時刻が繰り上げられた。
なお、この区間は新幹線以外の在来線優等列車が走る数少ない区間となっている。2016年3月26日改正時点では以下の列車が設定されている。すべて昼行列車。
特急「つがる」(秋田駅 - 青森駅間)
かつて、1992年7月の山形新幹線開業に伴い、山形駅 - 新庄駅・秋田駅間を運行する特急「こまくさ」が設定されていた。山形新幹線との連絡特急としての存在が大きかったが、平日の日中を中心に乗降客が少なく(とりわけ新庄駅以北は閑散としていた)、また特急でありながら停車駅が比較的多く、特急料金をわざわざ支払って乗車する意義についての沿線住民からの意見もあり、1997年3月の秋田新幹線開業を機に大部分の運転区間が山形駅 - 新庄駅・横手駅間に短縮され、1999年3月の山形新幹線新庄延伸工事を機に新庄駅 - 秋田駅間の快速列車へと代わった。「こまくさ」は全区間B特急料金が適用されていたため、秋田駅 - 大曲駅間で並走する秋田新幹線「こまち」(A特急料金適用)とは特急料金が異なっていた。
2016年3月26日の北海道新幹線開業前には、同年3月21日まで新青森駅 - 青森駅間で、新青森駅 - 函館駅間の特急「白鳥」・「スーパー白鳥」が運転されていた。
なお、新青森駅 - 青森駅間は特例として、この区間のみ寝台特急を除く特急列車に乗車する場合は乗車券のみで普通車自由席に乗車可能である。2010年12月の特例実施当初、「青春18きっぷ」などの一部の特別企画乗車券にはこの特例は適用されなかったが、2012年夏季より特例が適用されるようになった。
2014年3月改正時点での定期貨物列車は、秋田駅 - 新青森駅 - 青森信号場間、土崎駅 - 秋田港駅間で運行されている。横手駅 - 秋田駅間も事業免許は有しているが、横手オフレールステーション発着のトラック便があるのみで、定期貨物列車の運行はない。
秋田駅 - 新青森駅 - 青森信号場間は、前述のように日本海縦貫線の一部を成しており、貨物輸送が盛んである。当該区間の大半の貨物列車は、EF81形電気機関車やEF510形電気機関車が牽引するコンテナ車で編成された高速貨物列車である。当該区間のコンテナ取り扱い駅は、秋田貨物駅、大館駅、弘前駅である。
土崎駅 - 秋田港駅間は、1日3往復(うち2本は休日運休)の貨物列車が、秋田貨物駅発着で運行される。
普通列車には秋田総合車両センター南秋田センターに所属する701系0・100番台が全区間で使用されるほか、新庄駅 - 真室川駅間の一部の区間列車に陸羽東線・陸羽西線の間合い運用としてキハ110系気動車(小牛田運輸区所属)、秋田駅 - 追分駅間で男鹿線直通列車にEV-E801系蓄電池電車、秋田駅 - 東能代駅間・弘前駅 - 青森駅間で五能線直通列車や五能線・津軽線への送り込み運用としてGV-E400系気動車、秋田駅 - 東能代駅間・弘前駅 - 青森駅間で五能線直通の臨時快速列車「リゾートしらかみ」にHB-E300系気動車が使用される。
起点である福島駅から米沢駅までの区間はいわゆる峠越えでも名高い板谷峠を越える。後節でも触れているが、ここは蒸気機関車時代からの難所であり、電化・高速化および標準軌化によるミニ新幹線が直通運転されるようになった後も、冬季は雪害による遅延や運休が生じやすい。米沢駅から秋田駅まではほぼ奥羽山脈の西側に沿う様な形で進路をとる。途中、山形駅までは蔵王連峰の山々、山形駅から先はしばらく月山の山を望みながら北上する。秋田駅から男鹿線と分岐する追分あたりまでは海こそ見えないが日本海沿いを通り、東能代駅まで八郎潟の東岸を通る。東能代駅から進路を東にとり大館駅を過ぎると再び奥羽山脈に沿う形で北上し矢立峠を越える。越えた後は弘前駅・浪岡駅などの津軽平野の中を西側に岩木山を望みながら走り青森駅へと至る。
各年度の平均通過人員(人/日)は以下の通り。(福島 - 新庄間は山形新幹線、大曲 - 秋田間は秋田新幹線を含む。)
各年度の経営状況は以下の通り。100万円以下の端数は切り捨て。
下記の区間は利用者が多い区間で経営状況は開示されていない。
福島駅 - 山形駅
山形駅 - 新庄駅
大曲駅 - 秋田駅
秋田駅 - 東能代駅
弘前駅 - 青森駅
それ以外の下記の区間が赤字である。