石巻線
以下の小牛田運輸区所属の気動車で運行されている。
キハ110系 - 全区間で使用。
HB-E210系 - 石巻 - 女川間で仙石東北ライン直通列車に使用。
仙石線直通運転については、1992年(平成4年)に、通商産業省(現 経済産業省)資源エネルギー庁の委託で、東北産業活性化センター(現 東北活性化研究センター)の 電源地域振興指導事業(南三陸地域振興計画策定事業)として、当線の石巻駅 - 女川駅間の直流電化による仙石線の女川駅乗り入れの調査がなされたことがあった。 具体的な計画は以下の通りであった。
仙台駅 - 石巻駅間は快速列車として所要時間50分(平成4年当時)、女川駅 - 石巻駅間は所要時間27分(平成4年当時)から直流電化により所要時間を5分短縮した22分とすることで、仙石線と石巻線の乗り継ぎ時間が無くなることと合わせて、仙台駅 - 女川駅間を1時間10分程度の所要時間で結ぶことを想定。
石巻駅で当線の列車系統を完全分断し、当線の小牛田駅 - 女川駅間全線を走る列車を、仙石線経由の仙台駅 - 女川駅間と小牛田駅 - 石巻駅間の列車に変更する。
運転本数は、調査時に石巻駅 - 女川駅間を走っていた13往復を想定し、4両編成で運行する。
夏季のハイシーズンに合わせて、専用特急(シーガルエキスプレス)の導入や、快速列車運行時に指定席車両を増設することで観光列車の雰囲気を醸成する。
当線の電化による直通運転は実現しなかったものの、仙台駅 - 石巻駅間の所要時間の短縮と仙台駅 - 女川駅間の直通運転については、仙石東北ラインの整備により、当線非電化のままで実現している。