羽越本線
新発田駅 - 村上駅間は、先述の3.5往復の列車が新津駅発着となるのを除けば、新潟駅から白新線と一体の運転系統として運行されている。通勤・通学と都市間輸送以外に上越新幹線との乗継需要も多いことなどから、白新線直通列車は1時間に1本(ただし2時間前後開く時間帯あり)程度が運行されている。新潟駅直通列車の車両は、米坂線直通の快速「べにばな」を除きすべて電車で、新潟車両センターのE129系電車が使用される。E129系(2015年3月まではE127系)を使用する新潟駅 - 村上駅間の日中の1往復では1995年12月1日から、米坂線直通の快速「べにばな」では車両がキハE120形やキハ110系気動車に置き換えられた2009年3月14日からそれぞれワンマン運転が行われている。白新線直通列車は朝夕に新潟駅からさらに越後線(最遠で吉田駅発着)・信越本線(最遠で長岡駅発着)に直通する列車も設定されている。新発田駅を跨いで水原駅経由で新津方面と村上方面を直通する電車列車は設定されていない。
村上駅 - 酒田駅間の普通列車は鶴岡駅 - 酒田駅間の日中の1往復を除きすべて気動車によって運行されている。これは村上駅 - 間島駅間に直流と交流のデッドセクションがあることと、新潟支社が通勤・近郊形の交直流電車を保有していないことからである。村上駅 - 鶴岡駅間は3時間ほど間隔が開く時間帯がある。
村上駅 - 酒田駅間の上下3本を除く、GV-E400系気動車を使うほとんどの列車でワンマン運転が実施されている。このほか、余目駅 - 酒田駅間に新庄駅発着の陸羽西線直通列車が設定されている(2024年まではトンネル工事のため、全列車がバス代行となっている)。
快速「べにばな」:新潟駅 - 米沢駅間(白新線経由・米坂線直通)
快速「海里」:新潟駅 - 酒田駅間(白新線経由、金曜・土曜・休日を中心に運行)
快速「最上川」:新庄駅 - 酒田駅間(陸羽西線直通)
1993年から秋田車両センター(現・秋田総合車両センター南秋田センター)の701系電車を使用しており、一部列車ではワンマン運転が実施されている。全区間を直通する列車のほか、酒田駅 → 吹浦駅間と羽後本荘駅・新屋駅 - 秋田駅間の区間列車の設定があり、1 - 2時間に1本運行されている。秋田駅を跨いで乗車する学生が多い朝には奥羽本線との直通列車が存在し、新屋発大館行きが1本、東能代発酒田行きが1本、平日のみ八郎潟発新屋行きも1本運行されている。酒田駅を境に管轄支社が変わるため、同駅での村上方面と羽後本荘・秋田方面相互の列車接続(「いなほ」との接続を含む)はよくない。また、この区間に存在する女鹿駅、折渡駅、桂根駅については、通過する普通列車が一部設定されている。
1988年3月13日 - 2002年11月30日まで酒田駅・羽後本荘駅 - 秋田駅間を運行する快速列車に「こよし」の名称が与えられていた。2021年3月12日まで、朝1本のみ設定されていた羽後本荘発秋田行き快速列車は、かつて「こよし1号」として運転されていた列車のダイヤを引き継いだものである。
JR東日本では沿線活性化を図るために、485系を改造した「きらきらうえつ」が2001年11月から白新線新潟駅 - 新発田駅間を経由して、酒田駅まで運転されていた。2003年からは時折、象潟駅や羽後本荘駅、2016年からは秋田駅まで延長運転が行われていた。2019年9月29日で定期運行を終了した。
前節の「きらきらうえつ」の後継として、2019年10月5日からハイブリッド気動車HB-E300系を使用して新潟駅 - 酒田駅間で金曜・土曜・休日を中心に運転を開始した観光列車。
2002年3月上旬に、村上市で開催された「村上町屋の人形様巡り」のオープニングイベントとして、高崎車両センターより借り受けた蒸気機関車D51 498および「ばんえつ物語」用の12系客車を使用して、「SL村上ひな街道号」を新潟駅から白新線経由で、村上駅まで運転した。当初、坂町の転車台の整備が整っていなかったことから、下り列車のみの運転であったが、好評のため翌年以降にも運転。以後、ばんえつ物語用12系の本来の牽引機であるC57 180とともに毎年運転されている(ただし、2006年は団体臨時列車として運転、2007年はC57 180が全般検査中かつばんえつ物語用12系もリニューアル工事中だったため、D51 498と12系一般車6両編成で運転された)。また、2003年7月6日も同じく「村上大祭」に合わせて、「SL村上大祭号」をC57 180牽引で運転。2004年も団体臨時列車として運転されたが、これ以降の運転は無かった。2004年9月には、「おいしい山形デスティネーションキャンペーン」の締めを飾るため、村上駅 - 酒田駅間を2日1往復で「SL出羽街道号」を運転。これは同区間で蒸気機関車の運転が終了してから34年ぶりのことになる。
日本海縦貫線の一部である本路線は、貨物輸送が盛んである。県境区間等では旅客列車の本数の少なさゆえ、貨物列車の本数の多さが目立つ。その全てがEF510形及びEF81形電気機関車牽引のコンテナ列車である。沿線のコンテナ取り扱い駅は新潟貨物ターミナル駅(白新線東新潟駅)、中条オフレールステーション (ORS)、酒田港駅、羽後本荘ORS、秋田貨物駅(奥羽本線)。また臨時車扱貨物の取扱駅として新津駅・新発田駅がある。
また、秋田貨物駅 - 酒田駅間に臨時貨物列車として8880・8881列車の設定があり、ED75形電気機関車が牽引にあたっていた。羽越線内でED75が運用されるほぼ唯一の列車であったが、2007年3月18日のダイヤ改正で運転を終了した。
秋田新幹線の車両E3系やE6系を秋田車両センターに納入する際に、羽越本線を利用して甲種輸送した編成がある。
E653系(新潟車両センター所属):2013年9月28日から特急「いなほ」で運用開始、2014年7月12日に定期列車の置き換えを完了。なお、2014年7月12日から2021年3月12日までの間は、快速「らくらくトレイン村上」とその折り返しの快速列車でも運用されていた。
E129系(新潟車両センター所属):2014年12月6日に新発田駅 - 村上駅間で、2016年7月に新津駅 - 新発田駅間で運用開始した。以後順次投入され115系を置き換えた。
701系(秋田総合車両センター南秋田センター所属):鶴岡駅 - 秋田駅間で運用される。
新津運輸区所属車:米坂線直通列車とその間合い運用として新津駅 - 坂町駅間で2両編成で運用される。
小牛田運輸区所属車:陸羽西線直通列車で余目駅 - 酒田駅間で運用される。
GV-E400系(新津運輸区所属):2019年8月19日から新津駅 - 鼠ケ関駅間で、同年12月1日から鼠ケ関駅 - 酒田駅間で運用を開始した電気式気動車。2020年3月のダイヤ改正以降は村上駅 - 酒田駅間の普通列車の主力車両となった。2両編成での運行が大半だが、新津駅 - 新発田駅間では1両編成、村上以北では4両編成での運用もある。
HB-E300系(新潟車両センター所属):2019年10月5日から臨時快速「海里」で運用開始。
70系(モハ70形・クハ75形・クハ76形・サハ75形。長岡運転所所属):1978年に運用を終了した。
80系(サハ85形・サハ87形。長岡運転所所属):上記70系の編成に混用されていたが1978年に運用を終了した。
51系(クハ68形。32系・40系・42系からの改造車を含む。長岡運転所所属):上記70系の編成に混用されていたが1978年に運用を終了した。
115系(新潟車両センター所属):2018年3月改正で運用を終了した。E129系による置き換え開始前の2014年7月時点では白新線直通の新発田駅 - 村上駅間の列車でS・N・L編成を使用した3-7両編成で運用されていたほか、新津駅 - 新発田駅間でも朝夕1往復ずつS・N編成を使用した5-6両編成で運用があった。
E127系(新潟車両センター所属):2015年3月のえちごトキめき鉄道開業に伴う同社への譲渡のため、運用を終了した。2014年7月時点では白新線直通の新発田駅 - 村上駅間の列車で朝に6両編成、昼にワンマン運用の2両編成でそれぞれ1往復運用されていた。
485系(新潟車両センター所属):特急「白鳥」「いなほ」および快速「らくらくトレイン村上」で運用されていたが、2014年7月12日以降は臨時列車のみの運用となり、2017年3月のダイヤ改正で運用終了した。また、専用編成が臨時快速「きらきらうえつ」で運用されていたが、こちらも2019年9月29日に通常運行を終了した。
キハ40系(新津運輸区所属):2019年以降のGV-E400系の導入に伴い、2020年3月のダイヤ改正で全ての車両が置き換えられ、運用を終了した。GV-E400系導入直前の時点では、新津駅 - 酒田駅間で2-4両編成で運用されていた。
キハE120形:2008年に新津運輸区に導入され、当初は新津駅 - 酒田駅間でキハ110系と共通で運用されていたが、新潟駅がATS-P化された2018年からは米坂線直通列車を中心とした運用になっていた。2020年3月に只見線用として郡山総合車両センター会津若松派出に転属した。
24系:網干総合車両所宮原支所所属の車両が「トワイライトエクスプレス」で運用されていた。