常磐線
JR貨物所属。金町駅 - 馬橋駅間を走行する新金貨物線 - 武蔵野線直通列車で運用される。
当初は急行(準急)「ときわ」「つくばね」「ひたち」に使用された。晩年は近郊化改造が行われた仙台車両センター所属の車両がいわき駅 - 仙台駅間を中心に運用されたほか、2005年まではATS-P搭載車による水戸までの乗り入れが行われた。老朽化に加えラッシュ時の混雑などに対応しきれなかったことも重なり、E721系と、E531系投入に伴い余剰となった415系1500番台に置き換えられ2008年に運用を終了した。
1987年(昭和62年) 4月1日:国鉄分割民営化により東日本旅客鉄道に承継。 12月1日:快速電車(上野 - 取手間)を最大10両編成から、103系電車および通勤型電車最長の15両編成へ増強。
1988年(昭和63年) 3月13日:普通列車が三河島駅、南千住駅(この2駅は日中のみ)、天王台駅(終日)に停車するようになる。 8月2日:逢隈信号場を駅に変更し逢隈駅開業。
1989年(平成元年) 3月11日:651系による特急「スーパーひたち」運転開始。 10月31日:上野 - 日暮里間にATS-Pを導入。
1991年(平成3年) 2月17日:日暮里 - 取手間にATS-Pを導入。 2月19日:取手 - 土浦間にATS-Pを導入。 3月16日:2階建て普通車クハ415-1901運用開始。通勤快速運転開始。
1993年(平成5年) 2月1日:金山信号場廃止。 2月10日:高平信号場廃止。 3月6日:平 - 岩沼間でPRCを導入。 12月1日:寝台特急「ゆうづる」を臨時列車に変更。
1994年(平成6年)12月3日:平駅をいわき駅に改称。寝台特急「ゆうづる」廃止。
1995年(平成7年)12月1日:E501系運用開始。
1996年(平成8年)10月12・13日:常磐線開業100周年記念列車「レトロトレインときわ」運転。
1997年(平成9年) 2月20日:岩間 - いわき間でCTC・PRCを導入。 10月1日:E653系による特急「フレッシュひたち」運転開始。
1998年(平成10年) 3月14日:万博中央駅跡地にひたち野うしく駅開業。 12月7日:特急「ひたち」から485系運用終了。
1999年(平成11年) 9月30日:東海村JCO臨界事故により水戸 - 日立間にて運転見合わせ。
1972年から1998年まで特急「ひたち」に充当されたほか、2013年まで勝田車両センター所属の波動用編成が臨時列車などへ充当された。
E721系1000番台(2017年3月5日 仙台駅)
仙台車両センター所属の0番台が2006年から運用されている。原ノ町駅 - 仙台駅間で運用。2016年度からはマイナーチェンジ車の1000番台も投入された。
東日本大震災発生からしばらくは、運休となっていた仙台空港アクセス線専用の500番台も暫定的に使用され、0番台との混合運転も行なわれていた。
2012年3月17日のダイヤ改正以降は仙山線で運用に難があった719系と一部運用を入れ替えた。原ノ町駅以北では701系の併結もある。
5往復/日
富岡 - 原ノ町間(浪江・小高停車)...下り1本/日
全線での運転再開に伴い、2020年(令和2年)3月13日でバスによる代行輸送を終了した。
竜田 - 富岡間
富岡駅付近を中心に津波による被害が発生した区間である。避難区域の再編後、大半が避難指示解除準備区域となった。なお、被災した富岡駅は、2015年(平成27年)1月16日までに解体に着手している。
再開目標の提示以前から、2013年(平成25年)に、被災区間を津波対策などを施し、現在位置で復旧することが検討されていると報道されており、2014年(平成26年)には富岡駅を従来の位置よりやや北側で移設復旧する富岡町のまちづくり計画が発表され、JR東日本側も沿岸部の防潮堤整備を条件に復旧を行うとしていた。
2015年(平成27年)3月の国土交通省発表では、運転再開目標は竜田 - 富岡間は「3年以内」(2018年〈平成30年〉春まで)とされた。運転再開時期については2016年2月に富岡駅の移設協議が進んだことを受け2017年末に、2017年(平成29年)3月には工事が順調に進捗していることから同年10月ごろに繰り上げられ、最終的に同年10月21日に、竜田駅発着の全列車を延長するかたちで運転再開となった。再開に当たっては駅を100 mほど北に移設し、交通広場などを整備した。
なお、帰還困難区域を除いた富岡町の避難指示は2017年(平成29年)4月1日で解除された。
富岡 - 浪江間
避難区域の再編後も大半が帰還困難区域および居住制限区域とされた区間である。この区間については比較的高い放射線量の区間がある(2015年時点で空間線量率最大29.6 μSv/h、平均4.