大糸線
朝夕には松本駅 - 穂高駅・有明駅間の区間列車も運行されている。一部は松本駅から篠ノ井線やさらに先の中央本線へ乗り入れ、塩尻駅や岡谷駅(辰野支線辰野駅経由含む)・上諏訪駅・富士見駅まで直通する列車もある。朝や夜間一部列車は快速運転を行っている。
なお、松本駅 - 南小谷駅間ではE127系100番台によるワンマン運転が行われており、信濃大町駅 - 南小谷駅間については全列車がE127系100番台によるワンマン運転となる。
運行本数は松本駅 - 信濃大町駅間で1時間に1 - 2本程度、信濃大町駅 - 南小谷駅間は3時間以上運行のない時間帯がある。
2010年10月2日からはHB-E300系による臨時列車「リゾートビューふるさと」が篠ノ井線直通で長野駅 - 南小谷駅間に運転されている。
かつて、中央西線経由で大阪方面と直通する急行「くろよん」が運行されていたことがある。
JR西日本が管轄している非電化区間では、定期列車は全て同社の気動車による運転である。
キハ120形(金沢総合車両所富山支所所属。車両自体は同支所の糸魚川運転派出に常駐) 普通列車として1両編成または2両編成で運用されている。 基本的に329・341・354の3両が専属で使用されているが、検査などの都合で高山本線向けの車両や他地区の車両が代走する場合もある。
キハ120 341(糸魚川駅 2010年3月25日)
北アルプス(飛騨山脈)の東側を通る路線で、長野県大町市以南は高瀬川、その北は日本海へと注ぐ姫川に沿っている。沿線には立山黒部アルペンルートの東の玄関口である大町市を控え、仁科三湖(木崎湖・中綱湖・青木湖)などの行楽地やスキー場も多く、白馬岳などへの登山者の足でもある。また、松本市・安曇野市など沿線都市への通勤・通学路線としても機能している。広域輸送としては主に新宿駅と名古屋駅(臨時のみ)から中央本線・篠ノ井線を経由して特急列車が直通している。
本路線の南小谷駅 - 糸魚川駅間はJR西日本が管轄するが、JR西日本の在来線との接続がなく、管内で孤立した路線となっている。これは、2015年の北陸新幹線長野駅 - 金沢駅間の開業により、当路線の終点である糸魚川駅を含む北陸本線金沢駅 - 直江津駅間が並行在来線として経営分離されたためで、JR東日本の在来線およびえちごトキめき鉄道と、北陸新幹線のJR西日本所管区間のみに接続している。同区間については地元自治体との協議も予定されていたが、引き続きJR西日本が管轄、糸魚川駅など新潟県の上越地方と長野県の北アルプス地域を結ぶアクセス路線となっている。
2022年2月3日に、JR西日本は、利用の減少している南小谷駅 - 糸魚川駅間についての存廃議論(バス転換などを含めた協議)を翌3月から開始すると発表した。
JR東日本区間のラインカラーはパープル。