総武本線
快速線側の起点である東京駅では、地上駅より丸の内側にある1972年完成の総武地下ホームに発着し、同駅以南の横須賀線(東海道本線地下線)線路との直通が可能な構造になっている。同駅を出ると東京都心部の地下を北東へ進み、新日本橋駅から馬喰町駅付近まで国道6号の直下を通る。両駅間では東京メトロ日比谷線小伝馬町駅と交差しているが、総武快速線に駅は設けられていない。馬喰町駅を過ぎると東へ向かい、隅田川の下をくぐり、両国駅付近で地上に出る。
一方、緩行線は、直通運転を行う中央本線との接続駅・御茶ノ水駅から、高架上を東方向へ向かう。中央本線(中央線快速)の上下線に挟まれる形で同駅を出ると中央本線と分かれて神田川を渡り、東北本線(山手線・京浜東北線・上野東京ライン)との交差地点にある秋葉原駅へ。続いて首都高速1号上野線を跨ぎ、市街地を進むと国道6号との交点に浅草橋駅がある。そして隅田川を渡り首都高速6号向島線をくぐると、両国国技館および東京都江戸東京博物館の最寄駅・両国駅に至る。同駅には緩行線ホームのほかに、快速線に繋がっている列車ホームがあるが、現在は定期列車では使用されていない。
両国駅からは快速線と緩行線による複々線区間が始まり、千葉駅まで沿線は住宅密集地が延々と続く。また海側(南側)には国道14号(京葉道路一般道区間)が並行する。緩行線・快速線間の最初の接続駅となっている錦糸町駅は快速線・横須賀線列車の留置線を併設しており、また東京スカイツリーの南に位置している。錦糸町駅を出ると、海側(南側)から単線の総武本線支線(越中島貨物線)が近づき、緩行線の亀戸駅。
1894年(明治27年)7月20日に市川駅 - 佐倉駅間が開業し、千葉県内初の鉄道となる。直後の8月1日に日清両国で宣戦布告がなされ、早速日清戦争での兵員輸送に活用された。同年12月9日には江戸川を越えて本所駅(現在の錦糸町駅)に達した。総武鉄道は、1897年(明治30年)5月1日に成東駅まで、同年6月1日には銚子駅まで延伸され、佐倉駅で成田鉄道との連絡も実現する。
両国橋から都心部への延伸は1899年(明治33年)に本所 - 秋葉原間の免許を得、1904年(明治37年)に両国橋駅(現在の両国駅)まで延伸され、ここを都心側のターミナルとした。両国橋駅を利用する旅客はすでに開業していた路面電車(のちの都電)に乗り継いだ。なお、この当時は貨物扱いも両国橋駅で行い、ここから隅田川などの舟運を利用して物資が東京市内へと運ばれた。
1907年(明治40年)、鉄道国有法により買収・国有化され、官設鉄道の総武本線となった。
国道51号と交差後、第二高岡踏切を通過した瞬間に成田線は北側に離れていき、総武本線は単線で南東の雑木林の中を進む。ここから成東駅までは県道76号と並行する。単線区間最初の駅である南酒々井駅は丘陵地帯の谷間に位置し、市街地からは離れたところにある。同駅を出ると東関東自動車道をくぐり、平野部にある榎戸駅・八街駅へ。八街は下総台地上にあり地盤が固く標高も高いため地震や水害に強いといえる。山武市に入ると再び丘陵の間を進んで日向駅を過ぎ、圏央道をくぐり進路を東方向に変えて平野部に出て、県道76号と交差する和田踏切を通過すると、山武市の中心都市である東金線が分岐する成東駅に至る。
成東駅からは国道126号と並行し、南東の太平洋に面した九十九里浜から5 kmほど離れた下総台地のふもとの平野部を進んで銚子を目指す。成東駅を出て東金線が南方向へ分かれていくと、左にカーブして北東方向へ。沿線は田園地帯が続き、旭駅手前では線路の方向が東向きに変わる。旭駅を出ると国道126号が南側へ分かれ、銚子駅の手前にある松岸駅までは丘陵地帯の合間をカーブしながら進む。この区間の飯岡駅 - 倉橋駅間にはトンネルが1か所存在する。松岸駅で成田線と合流すると国道356号と利根川に沿い、水産業と並ぶ銚子市の主たる産業である醤油工場が車窓から見え、市街地に入ると総武本線の終点・銚子駅に至る。同駅では銚子電鉄線が接続している。
1929年(昭和4年)3月20日:亀戸駅 - 小名木川駅間が開業。
1958年(昭和33年)11月10日:小名木川駅 - 越中島駅(現在の越中島貨物駅)間が延伸開業。
1966年(昭和41年)10月1日:全線で自動信号化。
1971年(昭和46年)7月5日:起点が新小岩操駅に変更される。
1984年(昭和59年)2月1日:小名木川駅 - 越中島駅(現在の越中島貨物駅)間の運転方式が入換方式に変更。
1986年(昭和61年)11月1日:新小岩操駅廃止のため、起点が小岩駅に変更される。
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。日本貨物鉄道が第二種鉄道事業者となる。
1990年(平成2年)3月10日:京葉線越中島駅との区別のため、越中島駅が越中島貨物駅に改称。
2000年(平成12年)12月2日:小名木川駅が廃止。
2001年(平成13年)3月1日:千葉総合指令室から東京総合指令室に移管。
2011年(平成23年)3月12日:新小岩操駅が新小岩信号場駅に改称。