山手線
当路線自体には列車種別設定がないが、京浜東北線が快速運転する日中の時間帯には並行区間で山手線が各駅停車の役割となる緩急分離運転が実施されている。快速停車駅間、特に田端駅 - 上野方面間、上野駅 - 東京方面間、秋葉原駅 - 浜松町方面間、東京駅 - 浜松町方面間の各区間乗車の場合、京浜東北線快速を利用した方が速いが、運転間隔が異なるため京浜東北線を利用しても必ずしも早く到着するとは限らない。同様の環状運転を行う大阪環状線や名古屋市営地下鉄名城線とは異なり、他線区から環状運転系統の線路に乗り入れたり、種別が変わったり、途中駅で折り返して反対方向に運転したり、大阪環状線のように優等列車として運転したりする電車はない。
一度運用についた電車は、基本的には終日同じ方向への環状運転を行っている。途中駅が終点となる電車は、平日午前中の池袋行きと毎日夜間の品川・大崎行きのみである。また、途中駅が始発となる電車は、毎日朝方の田町発と、平日午後の池袋発がある。
環状運転する電車の各駅での行き先案内は、主要6駅(東京駅、上野駅、池袋駅、新宿駅、渋谷駅、品川駅)から直近の2駅を挙げて「○○・△△方面行き」としている(たとえば、有楽町駅での外回り電車は品川・渋谷方面行きと案内する)。
列車番号は、ダイヤ上の分界駅である大崎駅を基準としている。外回りは奇数、内回りは偶数で、「大崎駅発時(24時間)」+「当該編成の当日の運用番号」として、末尾に「G」をつけている。したがって、山手線を約1時間かけて1周した電車は、大崎駅で列車番号の「大崎駅発時」部分を変えて引き続き運転される(ただし、大崎行きの電車を除く)。
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(JR東日本)の路線となる。 8月:アートコーヒーの主催によるイベント列車「RAIL TRAIN YAMANOTE」運転。
1988年(昭和63年) 3月13日:京浜東北線で日中の快速運転を開始。京浜東北線と終日分離運転。 6月26日: 205系増備完了に従い、103系が山手線での使用終了。さよならイベントを品川電車区で実施。
1990年(平成2年) 3月10日:6扉車サハ204形900番台試作車を1編成に2か所連結。6扉車は平日の朝10時まで座席を収納。 4月21日:翌年導入する予定のイオカード対応の自動改札機を東京駅・駒込駅に設置し、供用開始。以後、順次山手線各駅に導入される。 6月8日:6扉車で文字放送サービス開始。 この年、山手線で初めて車内広告が1社で統一されるADトレイン運転開始(先頭車の正面にヘッドマークを掲出)。1995年に2編成あるうちの1編成のヘッドマークを変更(のちに再変更)。205系のADトレインの歴代ヘッドマーク4個はすべて消滅。
品川駅 - 池袋駅 - 田端駅間にあった信号場。( )内は品川駅起点の営業キロ。
目黒川信号場 : 1965年廃止、品川駅 - 大崎駅間 (1.3 km)
上大崎信号場 : 1935年廃止、五反田駅 - 目黒駅間の貨物線上 (3.6 km)
戸山ヶ原信号場 : 1935年廃止、新大久保駅 - 高田馬場駅間 (12.4 km)
山手線では、2010年から可動式ホーム柵(ホームドア)の導入を進めており、2020年3月現在では、27駅で設置が完了している。それに伴い、列車を駅の定位置に停車させるシステムである定位置停止装置(TASC)を車両側と地上側とで導入している。
山手線でのホームドア導入を決定した理由には以下の理由がある。
JR東日本の路線の中でも利用者が多く、ホーム上での事故などが多発している
山手線を走行する車両の種類・形式が統一されている
他社線や他線区からの車両の乗り入れがない
JR東日本は2008年3月31日に発表した『グループ経営ビジョン2020 -挑む-』と称した方針の中で、乗客のホームから線路への転落事故を防止するため、JRの在来線としては初となるホームドアの導入を明らかにした。その後の発表と総合すると、駅の大規模改良が予定されている浜松町駅・新橋駅・渋谷駅・新宿駅・東京駅を除く全駅で2017年度末までの設置を目指しており、2008年6月3日の定例会見において、ホーム構造・幅員などの特徴や乗務員の取扱い誤り防止などの観点により、恵比寿駅・目黒駅の両駅を先行導入箇所とし、約2年の検証期間を経たあとに、山手線各駅への導入を進めることになり、2010年度には、両駅でホームドアの使用を開始した。
左側にゆりかもめが並行し、それがお台場方面へ離れていくと、空港連絡鉄道である東京モノレール羽田空港線との接続駅である浜松町駅。駅のすぐ東には旧芝離宮恩賜庭園、1 kmほど西側には東京タワーが位置する。また500メートルほど東側は海(東京港)であり、山手線でもっとも海に近い駅である。浜松町駅を出るとすぐに東京モノレールが右側から左側に移り、首都高速都心環状線をくぐる。モノレールは次の田町駅手前まで並行し、またモノレールの下には休止路線となっている東海道貨物線の用地が続く。緩やかにカーブして南西方向を向くと、モノレールが分かれていき田町駅に至る。田町駅を出て再びカーブして南へ向くと東海道線の上下線の間が離れ、間に同線の留置線が広がる。また同留置線の横で京浜東北線北行線路が山手線の外側へ移り、方向別複々線から線路別複々線に変わる。その直後に高輪ゲートウェイ駅に入る。山手線内側にはビル群を挟んで国道15号が並行。右側で都営地下鉄浅草線に直通する京急本線が地下から高架に、左側で横須賀線線路が地上に上がると、東海道線の上下線が近づいて品川駅に至る。
2000年(平成12年)12月31日:20世紀から21世紀へのカウントダウンとして臨時列車「21GO」を翌年1月1日まで運転。使用車両は列車名にちなみ215系。
2001年(平成13年) 3月21日:「みんなの地球をみんなで考えるエコロジーキャンペーン」の一環として「エコトレイン2001」を、通常はADトレインで使用されている48番編成で4月20日まで運転。両端の車両全面にステッカー貼付。 12月1日:山手線で初めて「側面車体広告車」を開始。
2002年(平成14年)4月21日:E231系500番台が山手線で使用開始。
2005年(平成17年)4月17日:E231系500番台増備完了に従い、205系が山手線での使用終了。
2006年(平成18年)7月30日:D-ATC使用開始。
2007年(平成19年) 3月18日:D-ATC化後初のダイヤ改正で、1周最速59分(起終点駅での停車時間を除く)に所要時間短縮。朝ラッシュピークに外回りを1本増発。平日日中の運転本数を4分おきにするなど、全体的に運転間隔を見直し。 8月26日: JRの在来線として初めてデジタル列車無線を導入。
2009年(平成21年)9月7日 - 12月4日:「山手線」の命名100周年を記念して、E231系500番台トウ502編成に、昭和30年代に運転されていた旧形国電カラーリング(ぶどう色2号)を模したラッピング編成が登場した。なお、このラッピング編成は明治製菓の車体広告車も兼ねていた。
2022年度の混雑率は、内回り(新大久保 → 新宿間)で126%、外回り(上野 → 御徒町間)で115%である。。
2018年度の平均通過人員(輸送密度)は113万4,963人。JR旅客6社で、輸送密度が100万人を超える唯一の路線である。
東京の都心部を環状に結ぶ首都圏屈指のドル箱路線であることから、関東の混雑する印象のある通勤路線として当路線が1位となったことがあるが、実際は内回り、外回りとも混雑率は160%を下回っている。
かつては混雑が非常に激しく、1991年度に最混雑区間の混雑率が内回りと外回りとも270%を越えた。このため輸送力の増強が喫緊の課題となり、1991年12月に11両編成へ増結された。その後も2002年度から2005年度にかけてE231系500番台を導入し、幅広車体に置き換えられたことで、1両あたりの定員数が増加した。
内回りは、1995年度に埼京線が恵比寿駅まで延伸開業したことで混雑が大幅に緩和され、1996年度に210%を下回った。
日本鉄道が国有化された1906年(明治39年)11月1日時点では、品川駅 - 赤羽駅間に貨物列車のほかこの区間を単純往復する旅客列車も運行された(毎日9往復)。1909年(明治42年)10月12日の各鉄道路線に路線名が付与された際は、池袋駅 - 赤羽駅間も含め現在の山手線区間(品川駅 - 池袋駅 - 田端駅間)と合わせて東北線の部 山手線となった。この当時は、池袋駅より北側は現在の赤羽線を経由して赤羽駅までが山手線本線、旧豊島線区間は山手線の支線であった。その後、同年12月16日に烏森駅(現・新橋駅)が開業し、烏森駅 - 新宿駅 - 上野駅間が電化され、電車の「C」の字形運転が開始された。このとき、品川駅 - 烏森駅間は京浜線(現在の京浜東北線)に乗り入れる形をとっていた。東海道本線が東京駅まで延伸開業し、中央線も同駅まで延伸されると、中央線と山手線を接続し、中野駅 - 新宿駅 - 東京駅 - 品川駅 - 新宿駅 - 池袋駅 - 田端駅 - 上野駅間で「の」の字運転が開始され、このころから現在の赤羽線区間が山手線枝線の運行形態になった。1923年の関東大震災で一時中断したが、1924年4月25日までこの形態は続いた。1925年(大正14年)11月1日に東北本線の秋葉原駅 - 神田駅間が完成し、東京 - 上野間が高架で複線化されたときに中央線への乗り入れは中止され、環状運転が開始された。このとき、京浜線も田端まで延伸されている。
環状運転開始当時のダイヤは、基本的に毎時5本(12分間隔)で運転され、一周の所要時間は72分、池袋駅‐赤羽駅間(現在の赤羽線)の所要時間は10分であった。