ミニ新幹線
1986年(昭和61年)1月、山形県で開催される第47回国民体育大会「べにばな国体」に合わせてミニ新幹線の整備をできないかとの地元代議士からの提案があった。1987年(昭和62年)4月の国鉄分割民営化を経てJR東日本の経営判断により実現へ動き出した。
福島駅 - 山形駅間は山形県とJR東日本が山形ジェイアール直行特急保有株式会社を設立、国より補助金を受け完成させた施設と車両をJR東日本がリースで使用する方法をとった。山形駅- 新庄駅間は財団法人山形県観光開発公社が山形県から補助金、金融機関から融資を受けてJR東日本に全額無利子で貸し付けした。改軌区間で運転される貨物列車のために一部区間で三線軌条を敷設(後に廃止)し、山形駅 - 新庄駅間の改軌にあたっては山形駅 - 羽前千歳駅間に乗り入れる仙山線や左沢線列車のために狭軌線路を併設のままで残存させた。この区間のローカル列車については、案内上山形線の名称を使用している。
保安装置についても新幹線区間の自動列車制御装置 (ATC) と在来線区間の自動列車停止装置 (ATS) の両方を搭載している。全線ATC化しなかった理由は線区のグレード、工事費や工事期間の抑制との経済的理由である。
山形新幹線機能強化として、羽越本線高速化(1997年〈平成9年〉)や陸羽西線ミニ新幹線化があがり、山形新幹線の酒田(2000年〈平成12年〉)や大曲(2003年〈平成15年〉3月)への延伸が具体的に構想されている。
電気方式も新幹線区間が交流2万5000Vに対して在来線区間は従来通り交流2万Vとなっているため、搭載されている主変圧器と主制御器は両電圧に対応した複電圧仕様である。また、補助電源装置などの補機用の電源となる主変圧器の三次巻線では、電圧変動が発生するため、三次巻線に三次電源タップ切替方式を採用して、架線電圧が切替わった際に、地上側に設置された地上子を受信後に切替用タップを作動させて三次巻線の電圧変動を抑えている。
パンタグラフは在来線区間の電車線の高低差の大きさに合わせて新幹線車両より大きく作られている。
山形新幹線が具体化した頃に、香川県は、瀬戸大橋線をミニ新幹線(四線軌条)化できないかと考えた。しかし、交直流型車両は値段が高く、採算レベルに乗らないという調査結果が出たため、断念した経緯がある。なお瀬戸大橋とその前後に限っては四線軌条化せずとも本四備讃線と四国横断新幹線の複々線を敷設できる空間が確保されている。
設備改良は日本鉄道建設公団が鉄道整備基金からの無利子貸し付けを受け、JR東日本に委託して施工した。完成後公団よりJR東日本が譲渡を受けた。秋田県とJR東日本が秋田県新幹線車両保有株式会社を設立、JR東日本にリースした。大曲駅 - 秋田駅間は奥羽本線の狭軌線路と単線並列の形とし、一部区間を三線軌条とするなどして運転の自由度を確保している。同区間では、営業列車としては新幹線直行特急のみ(非営業の回送列車として田沢湖線用のローカル列車用の車両が運転される)が標準軌の線路上を運行され、この区間のローカル列車は狭軌の線路を運行している。
これらの路線で運転される特急列車「つばさ」や「こまち」は、新幹線直行特急と呼ばれる。