石巻線
旅客列車は小牛田駅 - 石巻駅・女川駅間の運転が基本で、小牛田駅 - 前谷地駅間の区間運転列車や前谷地経由の気仙沼線柳津駅発着列車、小牛田経由の陸羽東線古川行きの列車も設定されている。ただし小牛田駅 - 女川駅間を直通運転する列車の中には石巻駅で10 - 30分間の長時間停車を行ったのち発車する列車もあり、全体の所要時間はばらつきが大きい。一部列車を除いてワンマン運転を実施している。2016年8月6日からは、仙台駅 - 石巻駅間を東北本線・仙石線経由で結ぶ「仙石東北ライン」のうち上り始発列車と下り最終列車が当路線の石巻駅 - 女川駅間に乗り入れ、仙台駅 - 女川駅間を直通運転している。当路線内では仙石東北ライン直通列車も含めすべての旅客列車が各駅に停車する。
震災前は、仙台駅から当路線の小牛田駅 - 前谷地駅間を経由して気仙沼線に直通する快速「南三陸」も運転されていた(当路線内は上涌谷駅を通過)。また2001年頃まで小牛田駅 - 前谷地駅間で石巻線の列車と気仙沼線の列車を併結する運用も見られた。