山形新幹線
前述の通り、「つばさ」は福島駅で「やまびこ」と増解結を行うが、東北新幹線と奥羽本線とのアプローチ線が福島駅の下り副本線(待避線)から単線で分岐するという構造のため、福島駅付近が単線になっていると共に、「つばさ」と併結する上り「やまびこ」は福島駅構内で下り本線と二度平面交差する必要があることから、特に降雪で遅れが生じる冬期間は福島駅付近での(山形新幹線及び東北新幹線の)輸送障害が全線に波及するという問題が生じている。このため、山形方面から福島駅新幹線上りホームに接続する新たなアプローチ線の建設が検討され、2020年3月に工事計画の詳細が発表されている(詳細後述)。
なお、山形空港の年間利用客数は1991年に約70万人でピークとなったが、ドル箱路線の東京便と競合する山形新幹線の開通で1992年から減少に転じ、2009年にはピーク時の4分の1以下の約17万人にまで落ち込んでいる。そのため、空路維持を目的とした助成が行われている。
2000年の第42回衆議院議員総選挙で庄内地方を地盤とする加藤紘一が「庄内にミニ新幹線を通す」ことを公約に掲げ、さらに当時の高橋和雄山形県知事が庄内延伸構想を明らかにした。2002年2月には酒田商工会議所会頭であった新田嘉一らが中心となり庄内延伸促進期成同盟会が結成され、県やJR東日本に対し積極的な陳情を開始し、同年4月の定例会見で高橋知事が庄内延伸を「本腰を入れ研究する時期が来ている」と述べ、県が設置した山形新幹線機能強化検討委員会などにおいて検討していく方針を示した。
県は2003年度から3カ年計画で山形新幹線の庄内延伸と板谷峠のトンネル化の検討を始め、2005年2月には県は機能強化検討委員会に庄内延伸の終着駅は酒田駅だけと報告し、新庄駅 - 酒田駅間55.2キロメートルにミニ新幹線を走らせると、酒田駅 - 東京駅間は18分短縮され3時間43分。費用は350億円。年間の経済波及効果は10億4千万円。福島駅 - 米沢駅間の板谷峠にトンネルを抜くと、840億円かかり、16分の短縮ができると試算した。県では、置賜地方から庄内地方までを1本の鉄路で直結することによる県土軸の構築が図れるとして推進する意見が強かった。しかし、2005年1月の山形県知事選で高橋を破り初当選した斎藤弘は酒田延伸について「費用対効果から判断する」としていたため、酒田ではこの時点でほとんどの人が庄内延伸は棚上げとなったと受け止めていた。
2006年3月6日、県は山形新幹線の庄内(酒田)延伸と羽越本線高速化についての調査結果を山形県議会に報告し、時間短縮、費用対効果の観点から新幹線延伸より、羽越線高速化が有効と結論づけた。
こののち、県とJR東日本はトンネル新設について協議を重ねてきたが、2021年、JR東日本は急カーブを緩やかな曲線に変え、直線に近いルートを想定することで、東北新幹線などのフル規格新幹線仕様と同じ平均時速200キロ以上の走行を可能とするなどの新たな提案を示した。この提案はトンネル内で減速の必要がなくなり、フル規格実現を目指す県の意向と合致したことから、県は県議会9月定例会にトンネル新設に関する調査費2200万円(限度額)を債務負担行為として盛り込んだ2021年度一般会計補正予算案を提案した。補正予算案が可決されれば、両者が共同して同年度中にも調査準備に入る。このトンネル新設について、9月30日の定例会見でJR東日本の三林宏幸仙台支社長は「地元の理解、協力を得ながら事業化を進めていきたい」と語り、多額の事業費については「県、国に説明しながら、どういう(負担の)形になるかを含めて検討し取り組みたい」と述べた。
クモヤ743形 - 霜取りや落ち葉掃きに使用していた事業用交流電車。143系からの改造車で、当初は719系の検査回送での使用が想定されていた。
DD18形ディーゼル機関車
DD19形ディーゼル機関車 いずれの機関車も除雪用として在来線車両を標準軌に改軌したうえで運用された。ENR1000形モーターカーへの置き換えで全廃。
朝と夜の一部列車を除き、東北新幹線内(東京駅 - 福島駅間)は「やまびこ」の仙台駅発着列車と併結して走る。なお、山形新幹線の運転開始当初、併結車両は2001年9月20日まで200系だったが、1999年4月29日からE4系(Maxやまびこ)となり、2012年3月17日から一部の列車が、同年9月29日以降は全列車がE2系(やまびこ)になっている。
東北新幹線内の停車駅は、基本的に併結する「やまびこ」に合わせ東京駅・上野駅・大宮駅・宇都宮駅・郡山駅・福島駅であるが、上野駅・宇都宮駅・郡山駅は通過する列車が一部ある。詳細は「つばさ (列車)#停車駅」を参照。
車体色は銀色に緑のラインである。開業当時はそれまで白やクリーム色といったイメージがあった新幹線の中で際立って目立っており、車体色も銀色で、窓周りは黒と緑の細帯に塗られていた。2014年春以降、車体色は白をベースに橙の細帯と屋根は紫に塗られる塗装に順次変更されている。
なお、福島駅での連結・切り離しは、東北新幹線と奥羽本線を結ぶ連絡線とホームが、現在下り側に1本しか建設されていないため、上り・下りともに14番線(下り用のホーム)でのみ行う。そのため、上りの連結相手の「やまびこ」も同駅の北で一旦下り本線を渡って14番線ホームまで入線しなければならない。連結したあと、再び下り本線を渡って上り線に合流する。そのため、ダイヤ改正時は必ず緻密な計算が求められる。