上野東京ライン
宇都宮線および高崎線との直通後、本路線経由の普通列車の停車駅は、大宮駅 - さいたま新都心駅 - 浦和駅 - 赤羽駅 - 尾久駅 - 上野駅 - 東京駅 - 新橋駅 - 品川駅 - 川崎駅 - 横浜駅 - 戸塚駅 - 大船駅となり、当該区間で長区間利用の場合や、東京駅以南と上野駅以北を跨って利用する乗客の乗り換えが不要になる。これにより、並行する山手線や京浜東北線に対する速達列車の役割が期待され、相互区間利用時の所要時間短縮も見込まれている。なお、京浜東北線は上野東京ライン開業後は快速を神田駅・御徒町駅に停車させ(御徒町駅は休日ダイヤのみ停車)、上野駅 - 東京駅間は本路線が快速の役割を果たすことになる。
ただし、上野東京ライン直通先の各路線で運転見合わせなどダイヤに大幅な乱れが生じた場合は、ダイヤが正常に戻るまでの間、上野駅 - 東京駅(常磐線系統は上野駅 - 品川駅)間の運行が取り止められ(運行情報では「直通運転中止」と「宇都宮・高崎線が上野駅 - 東京駅間で区間運休」の扱い)、従来通り両駅から各方面への折り返し運転となるため、(全系統が直通運転を中止した場合)上野駅 - 東京駅間は、京浜東北線や山手線の利用が必要となる。
交直両用一般形電車。特別快速および普通電車に使用。
残った線路は、上野駅側は御徒町駅付近から貨物駅の使命を終えた秋葉原駅の貨物ホーム付近までを留置線に転用したが、同駅周辺の再開発に伴い貨物ホームは撤去され、新たな留置線が建設された。東京側は東海道本線の列車の折り返し線に転用された。
新幹線は1991年6月20日に東京駅 - 上野駅間が開業したが、旧回送線線路用地を利用した区間は橋脚をさらに上空に継ぎ足せる構造で建設された。同区間には東北・山形(1992年7月1日 - )・秋田(1997年3月22日 - )・上越・北陸(同10月1日 - )の各新幹線が東京駅に乗り入れている。
新幹線開通後も山手線と京浜東北線と並行する東京駅 - 上野駅間には、中・長距離列車が運行されない期間がしばらく続いたが、これら路線を国鉄から継承して運行するJR東日本自身にとって乗り入れは悲願であった。
東北縦貫線の計画自体は1970年代の東北新幹線の計画と同時にあったが、国鉄分割民営化後具体化されたのは、1993年2月にJR東日本が山手線・京浜東北線の秋葉原駅 - 上野駅間や上野駅の混雑緩和のため常磐・東北・高崎線の各線の運転区間を東京駅まで延長して東海道本線と相互乗り入れする検討である。この計画では、上野駅の留置線として使われている秋葉原駅 - 上野駅間の工事を先行し、まず常磐線の電車を秋葉原駅まで延長するという計画であった。
9時台からは上り特急と中距離列車の品川駅発着列車の運行が始まり、上野駅9時台着以降の上り(金曜運転の「ときわ96号」を除く)と、10時台以降の下り正時(00分)・30分発の特急「ひたち」・「ときわ」は全列車が品川駅発着である。日中は中距離列車が品川駅発着で1時間に3本運転されており、多くが土浦駅発着である。
17時台からは快速電車も一部が品川駅発着で運転されるようになり、中距離列車と合わせて1時間に4本(各2本ずつ)が品川駅発着で運転される。下りは多少の時間差はあるものの22時台まで(品川駅基準で)「快速電車、ときわ、中距離列車、快速電車、ひたち(21・22時台はときわ)、中距離列車」というパターンになっている。
品川駅発着の最終電車は、宇都宮線・高崎線 - 東海道線と同じく北行が東京駅23時頃であるが、その折り返しとなる南行はそれより早く終了する。
このほかにも臨時列車や団体列車が設定されている。
京浜東北線・山手線の上野駅 - 御徒町駅間の混雑率の緩和:2002年3月プレス発表当時の予想では、首都圏で最も混雑率の高い同区間の混雑率は、230%から180%以下となるとしていた。この推測数値は計画当初のものでその後変化しており、同路線の新型車両(E233系・E231系)の導入やD-ATCなどの整備効果で、2009年度に混雑率がワースト2になり、2011年に混雑率は194%へ減少した。開通直後2015年3月における混雑率は、日刊工業新聞の伝えるところによると170%となった。混雑率が170%になったことは、2015年6月9日のJR東日本社長の記者会見でも発表され、さらに東海道線と宇都宮線・高崎線・常磐線の各線が直通運転する新線の朝ラッシュ時の乗客数は当初予想の約3万5000人を上回る約4万人となったことも発表をされた。
直通運転による所要時間の短縮:全列車で必要だった「上野駅や東京駅での乗り換え」が不要になり、かつ上野東京ライン全線において途中駅がないため通過することにより、尾久駅および三河島駅以北 - 品川駅間で11分程度の所要時間短縮が期待される。また、東京駅や上野駅などでは、乗り換え客が少なくなることから、それらの駅の混雑緩和にもつながる。
首都圏を南北に結ぶ輸送ネットワークのさらなる強化:上野駅止まりだった3線と東京駅止まりだった東海道線の直通化によって、一部の列車で乗り換えが不要により、沿線地域の相互交流促進や北関東地域の活性化が期待される。
宇都宮線および高崎線系統の列車番号は以下のように付与されている。