石巻線
そして2月1日に女川駅を150 m内陸側に移設し、かさ上げした上で浦宿駅 - 女川駅間(距離は2.5 kmから2.3 kmに短縮)を復旧させることで女川町とJR東日本との間で覚書を締結した。
東日本大震災では仙石線も高城町駅 - 矢本駅間が長期運休となり、2011年12月から石巻線および東北本線経由で石巻駅 - 仙台駅間直通の臨時快速が設定された。当初は仙台行の片道のみだったが、2012年1月からは石巻行も設定されている。この臨時快速は同年3月17日のダイヤ改正で「直通快速」として定期化された(「#運行形態」節も参照)。2015年5月30日の仙石線全線運転再開に伴い、同年5月29日限りで運転を終了した。
また、宮城県や石巻市、女川町より、仙台と石巻を結ぶ新しい運行系統仙石東北ラインの女川駅までの延伸が要望され、実現に向けて、宮城県は協力する姿勢を示した。2016年6月29日、一部列車を女川まで延長運転することが発表され、同年8月6日から運行を開始した。
エレベーターシャフトとホームを除き消失した女川駅(2011年3月30日)
停車していた女川駅から山側に流された列車(2011年3月30日)
地盤沈下のため満潮時に冠水する沢田駅(2011年7月17日)
石巻線は石巻から女川まで延伸されることになるが、それ以前にこの地域には牡鹿軌道と金華山軌道という二つの鉄道会社が存在した。牡鹿軌道は北上川東岸の石巻湊と渡波を結ぶ馬車鉄道として1915年(大正4年)に開業したが経営状態が悪く、1924年(大正13年)に新会社の金華山軌道が牡鹿軌道を吸収してこれの資産や営業権を引き継いだ。1926年(大正15年)に金華山軌道は渡波から女川まで路線を延伸し、石巻と女川を結ぶ路線となった。一方、1922年(大正11年)の鉄道敷設法で「宮城県松島ヨリ石巻ヲ経テ女川ニ至ル鉄道」が規定され、これに伴って石巻町や女川町は連携して石巻線の女川延伸の早期着工を政府に働きかけた。松島と石巻の間は宮城電気鉄道が敷設される予定だった事からこの区間の着工は見送られ、石巻から女川までの部分が着工された。路線延伸工事は1936年(昭和11年)に始まって1939年(昭和14年)に完成した。これに合わせて金華山軌道は廃止された。女川への延伸にあたって、石巻から渡波の間を、内陸の稲井を経由するか、金華山軌道と同じように海沿いを通すかで問題になった。結局、鉄道大臣らが現地視察した結果、稲井を経由することになり、こうして小牛田から女川に至る現在の石巻線のルートが出来上がった。1937年(昭和12年)2月22日には女川トンネルの建設現場で落盤が発生。14人が行方不明となったが、2日後までに13人が救出、1人の死亡が確認されている。
1953年(昭和28年)、まばらだった石巻線の運輸形態を改善するために、8両のキハ45000形(キハ17形)気動車が投入された。同年12月15日に小牛田駅で祝賀が行われ、翌16日からこの新型車両は走り始めた。1954年(昭和29年)に8両がさらに増備され、石巻線の定期旅客列車は全て気動車で運行されることになった。