鹿島線
6000形気動車、8000形気動車 大洗鹿島線水戸方面から鹿島神宮駅に直通する定期旅客列車に使用。詳細は「鹿島臨海鉄道#車両」および各車両の記事を参照。
E131系
E217系
E235系1000番台
E257系500番台
鹿島臨海鉄道 6000形
鹿島臨海鉄道 8000形
ただし、強風時は香取駅 - 十二橋駅間、延方駅 - 鹿島神宮駅間で速度制限や運転見合わせが行われることがある。
JRにおける実質的な旅客上の運用範囲は佐原駅 - 鹿島神宮駅間である。鹿島神宮駅 - 鹿島サッカースタジアム駅間はJRの区間であるが、旅客輸送は鹿島臨海鉄道の車両が担う。よって鹿島線の同区間に大洗鹿島線が乗り入れる形態となるが、特に多客が見込まれる時は、鹿島神宮駅以西より鹿島サッカースタジアム駅までJRによる旅客輸送が行われる場合がある。なお鹿島神宮駅 - 鹿島サッカースタジアム駅間はあくまでJR線なので、「青春18きっぷ」など、企画きっぷもエリア内であれば使用可能である。
また旅客列車のほかに、日本貨物鉄道(JR貨物)による貨物列車も運行されている。このため交換可能な駅は、いずれも有効長がかなり長い。
利用者は地元の沿線住民がほとんどで、純然たるローカル輸送に留まっている。鹿嶋市と東京間のアクセスとしては1975年から特急「あやめ」が運行されていた。