大阪環状線
8両編成(4両編成を2編成連結)が用いられる。主に阪和線直通の関空快速・紀州路快速・直通快速で使用される。なお、この2系式は共通運用となっている。
223系の運用開始当初は大阪環状線内を6両で運転(朝や昼間に天王寺駅でJR難波発着の2両編成と分割併合)されていたが、1999年5月の紀州路快速の設定時に5両+3両の8両編成となり、2008年3月14日から現行の編成となっている。
223系0番台
223系2500番台
225系5000番台
225系5100番台
特急列車
吹田総合車両所日根野支所(旧・日根野電車区)および吹田総合車両所京都支所(旧・京都総合運転所)所属車両が使用される。本節で特に記述なければ日根野支所所属。
南側と東側は特に都心部から離れて敷設されたため、南海、京阪、近鉄(かつての大軌)がそれぞれ大阪環状線の内側に難波駅、天満橋駅、大阪上本町駅を構えた一方、比較的都心部に近接して敷設された北側では阪神、阪急とも大阪駅付近に大阪梅田駅 (阪神)、大阪梅田駅 (阪急)を構え、南側でも後発の近鉄(かつての大鉄)が天王寺駅付近に大阪阿部野橋駅を構えた経緯から、梅田、天王寺・阿倍野の副都心が形成された。大阪駅一帯の梅田は大規模な再開発の進展によって旧来の中心市街の相対的な地位を低下させるまでに発展している。また、河川が集中して土地の制約が大きかった京橋駅の周辺も大阪ビジネスパーク(OBP)と一体となった副都心が形成されている。
また、東側の大阪駅 - 京橋駅 - 天王寺駅間では、全列車が各駅に停車するのに対し、西側の大阪駅 - 西九条駅 - 天王寺駅間では、特急や快速は大阪環状線内で通過運転を行っているため、日中時間帯では特急・快速が全て停車する駅に1時間に15本が停車する一方で、特急や快速が通過する野田駅、芦原橋駅と今宮駅は1時間に4本しか停車する列車がない。これも日中は各駅とも1時間12本以上が停車する山手線と異なる点である。
路線の大半は高架であるが、天王寺駅付近と大阪城公園駅付近だけは地平を走っている。故にこの2駅だけは地上駅となっている。ただし、天王寺駅は掘割式の地下駅に分類される場合もある。
平日の朝夕ラッシュ時は約3分間隔で運転されており、ほとんどが環状運転列車であるが、天王寺駅 - 京橋駅 - 大阪駅間の区間運転列車(朝ラッシュ時のみ)またはJRゆめ咲線直通列車も運転されている。この時間帯の前後には吹田総合車両所森ノ宮支所への入出区の関係から、京橋駅発着(内回り・外回り)・大阪城公園発(外回りのみ)となる列車がある。夕方ラッシュ時は2015年3月14日の改正で京橋駅発着を天王寺駅発着に延長して区間が統一された。
日中は環状運転列車が1時間に4本(15分間隔)運転されている。午前中と夜は、JRゆめ咲線直通列車が天王寺駅 - 京橋駅 - 大阪駅 - 西九条駅 - 桜島駅間で1時間に4本(15分間隔)運転されている。時間調整のため、大阪駅・京橋駅・森ノ宮駅・新今宮駅で1 - 2分ほど停車するほか、新今宮駅で快速を待ち合わせる列車もあるため、先発先着の平行ダイヤにはなっていない。
車両は全て3ドア車で、原則としてロングシートの323系が使用されているが、ラッシュ時の一部の列車は転換クロスシートのある223系・225系や221系も使用されている。
車両は全列車221系の8両編成で、区間快速には2016年9月まで103系・201系の8両編成が運用されていた。
また、2011年3月11日までの平日ダイヤの夜間には「やまとじライナー」が大阪駅 - 加茂駅間で運転されていた。大阪環状線内の停車駅は新今宮駅・天王寺駅であるが、大阪駅では両駅に停車する案内はされていなかった。
JR西日本は2023年8月24日に、同年10月23日より平日朝ラッシュ時間帯の加茂駅発大和路線区間快速2本に、有料座席サービス「快速 うれしート」(指定席)を導入すると発表した。なお、当該座席は天王寺駅からは無料開放(自由席)となる。
大和路快速は、大阪環状線の東半分(天王寺駅 - 京橋駅 - 大阪駅間)では列車番号は数字だけだが、西半分(大阪駅 - 西九条駅 - 天王寺駅間)および大和路線内では末尾にKがつく。区間快速は列車番号の末尾にYがつく。
天王寺始発で大阪環状線の内回りを1周し、再度天王寺駅を経由してから大和路線(関西本線)に直通する列車は、始発である天王寺駅の環状線ホームでは本来の種別及び行先を案内・表示せず、あたかも大阪環状線の内回りの普通列車であるかのように「普通 鶴橋・京橋方面」と案内されており、次駅の寺田町駅から本来の種別及び行先(「大和路快速 奈良」等)での案内・表示に変わる。
8両編成(一部は4両編成を2編成連結)が用いられる。主に大和路線直通の大和路快速・区間快速で使用される。
また、朝ラッシュ時に大阪環状線の普通列車の運用にも就いている。
2000年3月から2010年12月まで深夜の新大阪駅発快速御坊駅行き(2010年3月までは紀伊田辺駅行き)として、阪和線・紀勢本線に直通する列車にも使用されていた。この列車は前4両が御坊行き、後ろ4両が日根野駅で切り離されていた。
221系
阪和線・関西空港線直通列車用
吹田総合車両所日根野支所(旧・日根野電車区)所属車両が使用される。