東北本線
日暮里駅 (0.0 km) - 尾久駅 (2.6 km) - 赤羽駅 (7.6 km)
この区間も仙台圏の都市圏輸送を担っており、仙台駅 - 松島駅・小牛田駅・石越駅・一ノ関駅方面間の列車のほか、仙台駅 - 岩切駅間では朝夕に利府線(利府支線)との直通列車が、仙台駅 - 塩釜駅間では接続線を経由し仙石線・石巻線に直通する仙石東北ラインの快速・特別快速列車も運行される。
1時間に1 - 2本の運行であるが、仙台駅 - 塩釜駅間では仙石東北ライン(高城町駅経由石巻駅・女川駅発着)を含めて2-3本程度である(「仙石線#東北本線との直通運転」も参照)。
なお、仙石東北ラインの開業までは松島駅発着の区間列車が1時間に3本運行されていたが、開業後は朝1本の松島発仙台行きと夜2本の仙台発松島行きを除いて廃止されている。
宮城県北部と岩手県南部およびその県境部にわたる区間であり、運行本数は1時間に1本程度である。朝と夜に石越駅発着の仙台方面への直通列車が設定されている。一ノ関駅をまたいで直通する定期列車は設定されていない。
当区間の南側は小牛田までの運行がほとんどであり、仙台方面との直通列車は朝夕の数往復のみとなっている。2015年3月13日までは日中でも仙台方面との直通列車が運行されており、一部列車は小牛田駅で列車編成の連結・切り離しが行われていたが翌日のダイヤ改正で系統分割された。
朝晩の一部列車を除き、ワンマン運転による2両編成が大半を占める。
仙台空港線との相互直通運転が休止。 3月12日:田端操駅を田端信号場駅に、宮城野駅を仙台貨物ターミナル駅に改称。東京 - 宇都宮間が運転再開。 3月15日:花巻 - 盛岡間が運転再開。 3月16日:宇都宮 - 黒磯間が運転再開。 3月17日:北上 - 花巻間が運転再開。 3月20日:一ノ関 - 北上間が運転再開。 3月29日:郡山 - 本宮間が運転再開。 3月31日:仙台 - 岩切間が運転再開。 4月2日:安積永盛 - 郡山間、名取 - 仙台間が運転再開。 4月3日:岩沼 - 名取間が運転再開。 4月5日:本宮 - 福島間、岩切 - 松島間、岩切 - 利府間が運転再開。 4月6日:花泉 - 一ノ関間が運転再開。 4月7日:福島 - 岩沼間が運転再開。同日の夜遅くに発生した東北地方太平洋沖地震の余震の影響により、黒磯以北が再度不通となる。 4月9日:安積永盛 - 本宮間、北上 - 盛岡間が運転再開。 4月10日:本宮 - 福島間が運転再開。 4月11日:水沢 - 北上間が運転再開。 4月12日:福島 - 仙台間が運転再開。 4月15日:一ノ関 - 水沢間が運転再開。 4月17日:黒磯 - 安積永盛間、長町 - 仙台貨物ターミナル間が運転再開。 4月21日:仙台 - 一ノ関間、仙台貨物ターミナル - 東仙台間、岩切 - 利府間が運転再開し全線で運転再開。 7月23日:仙台空港線との相互直通運転が再開。
黒磯駅を出ると列車はすぐにデッドセクションを通過し、直流電化区間から交流電化区間に入る。その後那珂川を橋梁で通過し那須高原に入って行き、黒田原駅 - 豊原駅 - 白河駅にかけて、列車は関東地方の北の尾根で栃木県と福島県の県境となる那須・八溝の山間を抜けて行く。この付近は東北本線で最も標高の高い地域(標高約400m)である。余笹川の鉄橋を渡ると那須町役場のある黒田原駅となる。この駅は同じ町内の全国的観光地「那須高原」の喧騒さとは異なる、静かなたたずまいの小さな駅である。
豊原駅と白坂駅の間の県境を流れる川である黒川をまたぐ鉄橋は鉄道ファンの絶好の撮影地となっている。白坂からは東北地方・福島県に入る。白河地域は福島県中通り地方の最南端であるが、この標高のため中通り地方で一番春の訪れの遅い場所でもある。中通り地方の桜前線は県北の福島市より始まり白河市に向かって南下して行く。新白河駅はもともと磐城西郷駅と称していたが、東北新幹線の停車駅となるのに伴い名称も新白河駅へと改称した。所在地は白河市ではなく西白河郡西郷村である。
東京近郊の山手線・京浜東北線・埼京線などや、高崎線・常磐線直通列車の使用車両は当該記事を、特急列車については優等列車で挙げられている各項目を参照。
黒磯駅以南の直流電化区間は直流電車、同駅以北の交流電化区間は同駅 - 白河駅間で交直流電車、新白河駅以北で交流電車が使用される。また非電化線区に直通する列車には気動車などが使われる。
白河駅:白棚線(元白棚鉄道)
郡山駅:三春馬車鉄道
松川駅:川俣線
福島駅:福島交通飯坂東線
伊達駅:福島交通飯坂東線
大河原駅:仙南温泉軌道
槻木駅:角田軌道
名取駅:増東軌道
長町駅:仙南交通(元秋保電気鉄道)、仙台市交通局(仙台市電)
仙台駅:仙台市交通局(仙台市電)
陸前山王駅:塩釜線
(旧)松島駅:松島電車
松山町駅:松山人車軌道
小牛田駅:古川馬車鉄道
瀬峰駅:宮城バス(元仙北鉄道)登米線・仙北鉄道築館線
石越駅:くりはら田園鉄道線 - 2007年4月1日廃止
水沢駅:胆江軌道
花巻駅:岩手中央バス(元花巻電鉄)花巻温泉線・花巻電鉄鉛線
IGR転換区間
好摩駅:花輪線
青い森鉄道転換区間
八戸駅(南部鉄道営業当時は尻内駅):八戸線・南部鉄道
三沢駅:十和田観光電鉄線
千曳駅(のち、野辺地駅):南部縦貫鉄道線
野辺地駅 :大湊線
岩手県内の一関・水沢・北上・花巻・盛岡への通勤通学客輸送を主体とする区間である。運行本数は一ノ関駅 - 北上駅間が1時間に1本程度、北上駅 - 盛岡駅間が1時間に1 - 2本程度(30 - 60分間隔の運行)である。平日朝(6時台の日詰発は毎日運転)に日詰駅 - 盛岡駅間の区間列車が3.5往復、矢幅駅発着が1往復(IGRいわて銀河鉄道線直通)運行があり、平日朝は日詰駅 - 盛岡駅を中心に1時間あたり最大6本程度運転される。なお、2019年9月21日に岩手医科大学附属病院(盛岡市内丸)が矢巾町に新築移転したため、同日より平日朝に盛岡駅→日詰駅間で上り臨時列車が増発された。
日中時間帯を中心に一部列車は2両編成のワンマン運転となっている。朝夕は4両編成も多く運行される。
他路線との直通運転としては、花巻駅 - 盛岡駅間に釜石線直通列車が1日6往復(普通列車3往復および快速「はまゆり」3往復)乗り入れている。また平日の朝時間帯にはいわて銀河鉄道線に直通する列車が運行されており、滝沢駅発着が2.5往復、いわて沼宮内駅発着が1.5往復ずつのほか、花輪線鹿角花輪駅から上り1本が日詰駅まで乗り入れる。