湘南新宿ライン
2001年12月1日の運転開始時は小山車両センター(当時は小山電車区)所属車両のみが使用された(当時はまだ国府津車両センターへの配置がなかった)。2004年10月16日のダイヤ改正からは湘南新宿ラインの全列車がE231系での運転となり、全列車の4・5号車にグリーン車が連結された。同時に最高速度の120km/hへの引き上げも行われ、所要時間の短縮が図られている。
2004年10月16日のダイヤ改正以降は、基本的に宇都宮線 - 横須賀線直通列車は小山車両センター所属車両が、高崎線 - 東海道線直通列車は国府津車両センター所属車両がそれぞれ運用を担当している。2015年の上野東京ライン開業後は一部が共通運用化されている。2006年(平成18年)7月までは小山所属編成の一部が国府津車両センターに貸し出され高崎線 - 東海道線運用に就いた他、同年2月まではその逆で国府津所属編成の一部が小山車両センターに貸し出され宇都宮線 - 横須賀線運用に就いていた。
基本編成10両または基本編成と付属編成(宇都宮駅・高崎駅側に連結)の15両で運用されている。宇都宮線 - 横須賀線系統は全体の約75%程度の便が15両編成で運転され、そのうち大半が宇都宮駅まで15両編成で運転される(一部列車は小金井駅で増解結し、同駅 - 宇都宮駅間は10両編成で運転される)。高崎線 - 東海道線系統は全列車が15両編成で運転され、付属編成は籠原駅で増解結される。ホーム有効長の問題から、平日朝の深谷始発の列車を除き、籠原駅以北では10両編成で運転される。
運行開始当初は「湘南新宿ライン」の愛称表示がなかったが、2004年10月16日のダイヤ改正でE231系に統一されると「湘南新宿ライン」の愛称表示を開始した。
2015年3月14日以降は、上野東京ラインの開通に伴う東海道・宇都宮・高崎線における車両運用の大幅な見直しにより、E231系に加え、E233系も湘南新宿ラインで使用されるようになった。E231系とE233系の併結運転も行われている。
211系(2001年-2004年)
新前橋電車区(現在の高崎車両センター)所属車両(10両編成/15両編成)が宇都宮線 - 横須賀線直通列車と高崎線 - 東海道線直通列車の両方に使用された。全列車がE231系化された2004年10月16日のダイヤ改正で撤退した。運用時にはE231系とは違い「○○線直通」が先頭車の前面上部のみに表示されていたほか、字幕式の行先表示器を使用していたことから快速などに使われる「新宿経由」の赤文字が側面のみに表示されていた。
工事などの理由で大宮駅 - 大船駅間の直通運転が中止された際は、田町電車区(のち田町車両センターを経て、現在の東京総合車両センター田町センター)所属の211系が新宿駅 - 東海道線区間の運転を行ったことがある。
115系(2001年-2002年7月)
小山電車区(現在の小山車両センター)所属の車両が宇都宮線 - 横須賀線直通の列車で使用されたが、E231系への置き換えに伴い2002年7月に撤退した。こちらも211系と同様に字幕式の行先表示器を使用していたことから、先頭車前面上部のみの「○○線直通」と側面のみの「新宿経由」の表示がなされていた。
215系(2001年-2004年)・E217系(2001年-2004年)
2001年12月1日の運行開始から2004年10月16日のダイヤ改正まで新宿駅 - 横須賀線(土曜・休日の東海道線直通は215系のみ)の折り返し列車に使用された。この列車では、田町電車区(のち田町車両センターを経て、現在の東京総合車両センター田町センター)所属の215系は10両編成、鎌倉総合車両センター(現在の鎌倉車両センター)所属のE217系は11両編成で運転され、グリーン車も連結されていた。先頭車前面の種別表示器は215系が「普通」(横須賀線系統)または「快速」(土曜・休日限定の東海道線系統)、E217系は横須賀線方面行が「横須賀線 - 総武線」、新宿行は「普通」と表示されていた。
山手貨物線を利用した旅客列車の運転は、1980年代半ばまでは不定期列車・臨時列車に限られていた。
1959年(昭和34年)9月から1964年(昭和39年)9月まで、新宿駅 - 日光駅間運行の不定期準急「中禅寺」が運行された。また、年末年始などの帰省ラッシュの時期には、上野駅の発着列車の不足を補うため、大宮駅を通る下り臨時列車の一部(主に奥羽本線・磐越西線・羽越本線方面)が品川駅始発・山手貨物線 - 東北貨物線経由で運行された。また、横浜方面から日光方面へ向かう修学旅行列車(集約臨)なども品川駅(目黒川信号場)で方向転換し、山手貨物線・東北貨物線経由で運転されていた。
1984年(昭和59年)2月1日:東北貨物線の大宮 - 赤羽間が旅客化され、平日朝ラッシュ時の東北本線・高崎線の中距離列車の一部を貨物線経由で赤羽駅まで運転。
1986年(昭和61年)3月3日:前年に開業した埼京線(大宮駅 - 池袋駅間)が新宿駅まで延長、山手貨物線の池袋駅 - 新宿駅間が旅客化。
1987年(昭和62年)12月:両毛線前橋駅 - 伊豆急行線伊豆急下田駅間を東北貨物線・山手貨物線・大崎支線経由で冬休み・夏休みのみ運転する臨時特急「モントレー踊り子」を運行開始。1990年まで。
1988年(昭和63年)
3月13日:東北本線・高崎線中距離列車に東北貨物線から山手貨物線を経由して池袋駅に発着する列車を設定、終日毎時1本程度の運行を開始。
7月6日:東海道線にて運行されている「湘南ライナー」において、東海道貨物線・品鶴線・大崎支線・山手貨物線を経由して新宿駅に発着する「湘南新宿ライナー」が運行開始。
12月:池袋駅 - 日光駅間に臨時快速「日光」運行開始。
1989年(平成元年):臨時快速「日光」が新宿に乗り入れ。「ホームライナー鴻巣」・「ホームライナー古河」に新宿発が新設される。
1990年(平成2年):夢空間連結の冬季臨時寝台特急「北斗星トマムスキー」が横浜駅 - トマム駅間で運行開始。以降、運転日によって東京方の発着駅を横浜駅・品川駅・新宿駅とし山手貨物線・東北貨物線経由で運行、1996年シーズンからは北海道方の発着駅を新得駅に延長した「北斗星トマムサホロ」として運行。2002年まで。
1991年(平成3年)3月19日:特急「成田エクスプレス」運行開始。新宿行及び池袋行が設定され、横須賀線品川駅から山手貨物線経由で運転。
1992年(平成4年):臨時快速「ホリデー快速日光」を特急に昇格、臨時特急「日光」が新宿駅 - 日光駅間で運行開始。
1994年(平成6年):臨時特急「日光」の運転区間を藤沢駅発着に延長して運行。その後は臨時快速で運行。
1995年(平成7年)
月日不詳:高崎線から東北貨物線・山手貨物線・大崎支線を経由して横須賀線へ直通する臨時列車「ホリデー快速鎌倉路」(高崎駅 - 鎌倉駅間)が運行開始。
12月1日:池袋駅止まりだった宇都宮線・高崎線列車の一部列車(主に夜間)を新宿駅発着に延長。池袋駅 - 新宿駅間は埼京線と同じく山手貨物線を走行。
1996年(平成8年)
3月16日:埼京線が恵比寿駅へ延伸。渋谷駅・恵比寿駅では山手貨物線にホームが設置された。
月日不詳:新特急「おはようとちぎ2号」(宇都宮駅 - 新宿駅間)を延長する形で宇都宮駅 - 鎌倉駅間に臨時特急「おはようとちぎ&かまくら」を運行。1997年(平成9年)まで。
1997年(平成9年):臨時特急「日光」を藤沢駅 - 日光駅間で運行。
1998年(平成10年)
3月14日:「ホリデー快速ビュー湘南」・「ホリデー快速ビュー鎌倉」が運行開始。
「湘南」は新宿駅 - 平塚駅・小田原駅間、「鎌倉」は新宿駅 - 鎌倉駅間で、共に1日1往復が215系による運転。新宿駅からの経路は山手貨物線 - 大崎支線 - 横須賀線である。「湘南」は横浜駅では東海道線ホームに発着、東京方で転線していた。湘南新宿ラインの開業により運行終了。
12月8日:特急「成田エクスプレス」の池袋駅発着列車の一部が東北貨物線を経由し大宮駅発着に延長。
2001年(平成13年)9月21日:宇都宮線・高崎線から新宿駅を経由して横須賀線・東海道線へと直通する新ルート開業を発表。この系統愛称を「湘南新宿ライン」とすることが決定。
2001年(平成13年)12月1日:ダイヤ改正から湘南新宿ラインの運転開始。
高崎線 - 東海道線直通の「快速」(東海道線内は普通、高崎線内は一部で快速運転)、宇都宮線 - 横須賀線直通の「普通」、新宿発着の横須賀線「普通」の3つを設定。それぞれ毎時1往復ずつ計3往復。1日あたり合計25往復。
直通列車は日中の池袋駅発着の宇都宮線・高崎線をそのまま延長したもので、この時点では朝夕の池袋駅・新宿駅発着列車は存続している。また、大船発大宮行も1本設定された。さらに、黒磯駅発着の列車も1往復設定された(2004年3月改正で宇都宮で運転系統が分離され廃止)。
それまでも土曜・休日に運転されていた東海道線「ホリデー快速」(新宿駅 - 小田原駅・熱海駅間)もホリデーの冠を外して湘南新宿ラインに組み入れられた(土曜・休日のみ運転)。
将来の増発を見込み、池袋駅北側の山手貨物線と埼京線の立体交差化工事も着工している。
2002年(平成14年)
5月:池袋駅北側の山手貨物線と埼京線の立体交差化工事の影響で、工事完了までの間、山手貨物線大塚駅 - 池袋駅間の池袋寄り一部区間が単線となる。当時の湘南新宿ラインのダイヤはこの工事による単線化を想定して編成されたため、ダイヤへの影響はなかった。
12月1日:東京臨海高速鉄道りんかい線の全線開通と大崎駅の埼京線・りんかい線用ホームの供用開始に伴い全列車が同駅に停車。同時に夕方→夜間を中心に湘南新宿ラインを増発(25→38往復)。また誤乗防止のために「湘南新宿ライナー」の朝上り列車が「おはようライナー新宿」、夕方下り列車が「ホームライナー小田原」と列車名を変更。
2003年(平成15年):特急「スーパービュー踊り子」(新宿駅 - 伊豆急下田駅間)を宇都宮線宇都宮始発で延長運転実施。延長運転日は特定の土曜・休日のみ。2004年まで。
2004年(平成16年)
1月10日-2月1日:宇都宮駅 - 鎌倉駅間の臨時快速「鎌倉物語」を山手貨物線経由で運転。
6月6日:池袋駅北側の山手貨物線と埼京線の立体交差化工事が完了。これにより同駅南側での埼京線との平面交差が解消され、湘南新宿ライン列車を大幅に増やすことが可能になる。
10月16日:ダイヤ改正。湘南新宿ライン増発(38→64往復)して運転時間帯を全日に拡大、及び全列車の南北直通運転開始。日中は各系統毎時2本ずつ計4本となる。
全列車E231系グリーン車2両連結の15両編成または10両編成に統一。一部区間で120km/h運転を開始。
日中の高崎線 - 東海道線系統の列車に「特別快速」が登場。停車駅は高崎線側が池袋駅発着の快速「アーバン」(北本駅停車)、東海道線側は現在の「快速アクティー」(当時は戸塚駅通過)を踏襲した。これにより、高崎線側は上野駅発着列車のうち日中の快速「アーバン」を置き換えた。また、一部快速の高崎線内快速運転は廃止された。一方、東海道線側は東京駅発着列車の従来の運転本数(熱海駅発着普通3本・小田原駅発着普通2本・熱海駅発着快速「アクティー」1本の計毎時6本)を確保するため東京発着列車に追加する形で湘南新宿ラインが増発となった。
日中の宇都宮線 - 横須賀線系統の列車に「宇都宮線内快速」の普通が登場。停車駅は快速「ラビット」を踏襲しており、宇都宮線上野発着列車のうち日中の快速「ラビット」を置き換えた。また、横須賀線側は従来の運転本数(久里浜駅発着4本・逗子駅発着1本の計5本)を確保するため追加で湘南新宿ラインが増発となった。
新宿駅発着の横須賀線「普通」・東海道線「快速」(土曜・休日のみ)、池袋駅・新宿駅発着の宇都宮線・高崎線全列車、及び大船発大宮行「普通」はすべて廃止された。同時に東海道線・横須賀線の東京駅・横浜駅発着列車、宇都宮線・高崎線の上野駅発着列車の一部を削減し、湘南新宿ラインに移行した。なお、朝と夜の増発分は改正前の宇都宮線・高崎線の池袋駅・新宿駅発着ダイヤを踏襲した列車が多い。
2004年(平成16年)12月31日から2005年(平成17年)1月1日にかけての年末年始終夜運転限定で高崎線 - 横須賀線直通の系統を運行した。大崎駅 - 大船駅間を含めて全区間が各駅停車であった。翌年以降は通常の系統である宇都宮線 - 横須賀線系統の普通のみ運行されている。
2006年(平成18年):自治医大駅 - 宇都宮駅間各駅のホーム有効長を15両編成分に延伸。小金井駅が宇都宮線内での15両編成対応ホームの北限だったため同駅で増解結をしていたが、工事完了にて宇都宮発着の列車が一部を除き15両化される。
2008年(平成20年)3月15日:ダイヤ改正。平日朝の時間帯に宇都宮線 - 横須賀線系統を1往復増発(64→65往復、土曜・休日62往復のまま)。
2009年(平成21年)3月14日:ダイヤ改正。夜間帯に高崎線 - 東海道線系統を1往復増発(平日65→66往復、土曜・休日62→63往復)。これにより、平日・土休日ともに高崎線 - 東海道線系統が宇都宮線 - 横須賀線系統よりも1往復多く運転されることになる。また、土休日の7往復と平日の1往復が15両化され、土休日は63往復中57往復が15両で運行されるようになった。
2010年(平成22年)3月13日:ダイヤ改正。西大井駅 - 新川崎駅間に武蔵小杉駅が開業。同駅に湘南新宿ラインの普通(宇都宮 - 横須賀系統)、快速・特別快速(高崎 - 東海道系統)の全列車が停車。
2011年(平成23年)
3月11日-4月3日:東北地方太平洋沖地震及びそれによる東京電力の計画停電実施により終日運休。
4月4日:始発から運転再開。
2013年(平成25年)3月16日:ダイヤ改正。浦和駅に湘南新宿ラインの普通(宇都宮 - 横須賀系統)、快速・特別快速(高崎 - 東海道系統)の全列車が停車。朝・夕の時間帯に高崎線 - 東海道線系統を1往復増発(平日66→67往復、土曜・休日63→64往復)。
2013年(平成25年)12月31日から2014年(平成26年)1月1日にかけての年末年始終夜運転の運転から湘南新宿ラインは、小金井駅 - 逗子駅間の運転となり、宇都宮駅 - 小金井駅間は終夜運転区間から外された。
2015年(平成27年)3月14日:ダイヤ改正。E233系による運用が開始。高崎線 - 東海道線系統の籠原以南の運行列車が15両編成に統一される。
2016年(平成28年)10月1日:駅ナンバリングを大宮駅 - 逗子駅間で設定。路線コードは「JS」。
2019年(令和元年)11月30日:東海道貨物線横浜羽沢駅付近に設置される羽沢横浜国大駅と相模鉄道(相鉄)本線西谷駅を結ぶ「相鉄・JR直通線」(相鉄新横浜線)が開業。川越線・埼京線から品鶴線・東海道貨物線・相鉄新横浜線を経由して、相鉄線との間で相互直通運転を開始。湘南新宿ラインとは池袋駅 - 武蔵小杉間で線路、西大井及び武蔵小杉で路線記号(JS)を共用する。横浜駅 - 新宿駅間で湘南新宿ラインにおいても混雑緩和がみられるようになった。
2020年(令和2年)6月1日:渋谷駅ホームが移設される。