仙山線
(1990年3月10日 - 2013年3月14日)
通常は4 - 6両編成で運転され、2両編成も存在した。455系在籍時は主に仙台駅 - 作並駅間の普通列車を中心に運用され、455系の撤退後は長らく仙山線の主力車両であったが、本形式の軽量なステンレスボディと485系電車からの廃車発生品であった台車は相性が悪く、山間部での車輪空転などによる故障が目立つようになったため、2012年3月17日以降は夕方の快速1往復のみの運用となっていた。
国鉄は1953年(昭和28年)に「日本国有鉄道交流電化調査会」を立ち上げ、交流電化による鉄道の運行の実現を目指した。翌1954年(昭和29年)に仙山線の北仙台駅から作並駅までの区間が交流電化の試験線に指定された。試験の目的は、交流を利用した車両の実用化にめどを立てることはもちろんのこと、当時、交流電化の最大の欠点とされていた線路周辺の通信障害(当時は被覆ケーブルのほか裸電線も存在した)の影響度を見極めることもあった。このため国鉄のほか、日本電信電話公社や東北電力なども試験に参加している。
仙山線の北仙台駅 - 作並駅間が試験線に選ばれた理由として、機関車の負荷試験に適した勾配があったこと、通信障害を確認するための施設やトンネルの改修にかかる費用が少なかったこと、直流電化区間と接し交流と直流の切り替え試験が行えたこと、電力の供給が安定していたこと、列車ダイヤに余裕があったことが挙げられる。この試験のために、地上施設関係に4億4000万円、車両やその他試作に2億4000万円がつぎ込まれた。まず、1954年(昭和29年)10月から陸前落合駅と陸前白沢駅の間で試験が始まり、1955年(昭和30年)4月には試験区間が北仙台駅から作並駅まで広がった。試験は1956年(昭和31年)4月まで行われた。作並 - 山寺間はすでに直流電化されていたので、作並駅は日本初の交流電源と直流電源の接続駅となり、交流と直流の地上切り替えのための設備が設けられた。
当初は世界で初めて商用周波数による交流電化を実用化したフランスからの試作機導入を目論んだ国鉄だったが、これは不調に終わった。
交流を使用して交流整流子モーターを直接駆動する方式(直接式)と、交流を整流器で直流に整流して直流モーターを駆動する方式(間接式)の2方式の交流用電気機関車(ED44形・ED45形)や交流用電車クモヤ790形が日本国内で試作され、各種の試験に供された。ここで得られたデータや技術は、以後の幹線の交流電化やそこで運転される車両にも活かされ、やがては1964年(昭和39年)に開業する新幹線の成功にも繋がっていくことになる。
1957年(昭和32年)には交流電化区間が仙台駅まで拡大され、この年の7月から交流電化を用いた貨物列車の営業運転が始まった。9月には一部の旅客列車の営業運転にも当てられるようになり、10月には全列車の運転が電気機関車によるものとなった。作並機関区には、試験で用いられた交流用電気機関車と、ED14形やED17形といった直流用電気機関車が所属し、それぞれ仙山線で運用された。
交直両用車両の試験は1958年(昭和33年)から行われた。2つの異なった電化区間を直通運転するため、日本初の交直流両用電車としてクモヤ491形とクヤ490形が試作され、車上切り替えの試験が実施された。クモヤ491形とクヤ490形は試験終了後にそれぞれ旅客用車両クモハ491形とクハ490形として改造され、仙山線の臨時列車に使われた。
山寺駅から羽前千歳駅の間は奥羽本線の山形駅 - 羽前千歳駅間を含めて1960年(昭和35年)にいったん直流電化されたが、1968年(昭和43年)のヨンサントオと呼ばれるダイヤ改正の直前に仙山線全線は交流電化に統一された。これによって作並駅の交直流地上切り替え設備も役目を終えた。
これまで仙台 - 山形間で快速列車として運用されていた455系が朝のラッシュなどの対応のため撤退し、これまで主に東北本線で運用されてきた719系へ切り替えられ、ほぼ全ダイヤで719系が運用されるようになる。 12月1日:日本全国で初めてATS-SNの拡張版であるATS-Psが仙台 - 愛子間で使用開始。
2002年(平成14年)4月1日:【第二種鉄道事業廃止】全線(日本貨物鉄道)
2003年(平成15年)10月26日:仙台 - 愛子間でICカード乗車券「Suica」サービス開始。
2004年(平成16年) 3月13日:すべての快速列車が面白山高原停車となる。 10月16日:快速「仙山」「ホリデー仙山」の愛称廃止。この改正で快速列車の停車駅に新たに国見・陸前落合・羽前千歳が加わる。
2007年(平成19年) 3月18日:【駅新設】東北福祉大前。同日のダイヤ改正で2本あった東北本線の直通列車は消滅(すべて仙台発着)。 4月23日:仙山線の一部列車にE721系0番台導入。
2011年(平成23年) 3月11日:東北地方太平洋沖地震(東日本大震災)発生により全線にわたり不通。 4月1日:山寺 - 山形間で運転再開。 4月4日:仙台 - 愛子間で運転再開。 4月7日:東北地方太平洋沖地震の余震発生により全線にわたり再び不通。 4月13日:山寺 - 山形間で運転再開。 4月14日:仙台 - 愛子間で運転再開。 4月23日:愛子 - 山寺間で運転再開し、全線復旧。
2012年(平成24年)3月17日:面白山高原駅に停車していた快速が一部をのぞいて同駅通過に。
2013年(平成25年) 3月16日:719系の定期運用がなくなる。
この「落ち葉掃き列車」には、当初仙台車両センター所属のED78形電気機関車が使用されていたが、同型式の全廃後はED75形電気機関車に変更され、近年は郡山総合車両センター所属のDE10形ディーゼル機関車や、落ち葉掃き用の装置を仮設したE721系電車が使用されている。
1972年(昭和47年)から仙台市内区間は特定都区市内の対象路線となった。当初仙山線で対象となるのは北仙台駅のみであったが、後の新駅開業及び旧宮城町の仙台市への吸収合併に伴い宮城・山形県境の奥新川駅まで拡大している。2003年(平成15年)からは仙台駅 - 愛子駅間がICカード乗車券「Suica」の仙台エリアに含まれ、2004年(平成16年)からは仙台駅 - 山寺駅間が「仙台まるごとパス」適用区間となった。仙山線の各種案内サインなどに用いられるラインカラーは、黄緑色に設定されている。2014年(平成26年)4月1日からは全線が大都市近郊区間として新設された「仙台近郊区間」となり、作並駅・山寺駅でもICカード乗車券「Suica」が利用可能となった。
仙台駅 - 北仙台駅間は仙台市地下鉄との代替輸送(振替輸送)対象路線に指定されており、当該区間が運転見合わせとなった場合は、仙台市地下鉄南北線(仙台駅 − 北仙台駅 − 台原駅)への振替乗車が認められる場合がある。