愛知環状鉄道線
国鉄バス開業後も岡多線(岡崎 - 瀬戸 - 多治見間)の鉄道線としての計画・建設は進められ、1957年(昭和32年)4月3日付で調査線に、1959年(昭和34年)11月9日付で工事線にそれぞれ指定された。一方で、瀬戸線(瀬戸 - 稲沢間)は岡多線との連絡により、東海道本線(岡崎 - 稲沢間)のバイパス路線を構成すると同時に、名古屋地区における北方貨物線的構想を打ち出すものとして、1962年に「敷設予定鉄道」・1964年(昭和39年)に工事線として指定され、1966年(昭和41年)に着工した。岡多線の沿線は自動車工業(豊田市など)、全国有数の珪砂・珪石・粘土の産地(猿投町 - 瀬戸市)、窯業(瀬戸市 - 多治見市)など、近代的内陸工業・地下資源の開発が急速に進展していたエリアだったが、瀬戸から稲沢を結ぶ瀬戸線が追加されたことにより、互いに一体となって東海道本線のバイパス路線としての性格も有するようになった。
当初は国鉄岐阜工事局が岡多線の一部測量および試錐による調査を実施し、瀬戸線についても調査を進めていたが、1964年(昭和39年)に鉄道公団が発足。これに伴い、工事は鉄道公団に移管され、同公団が「主要幹線」(C線)として、岡多線(岡崎 - 瀬戸)および瀬戸線(全区間:瀬戸 - 高蔵寺 - 勝川 - 稲沢)の建設を進めた。
1965年(昭和40年)4月に運輸大臣が岡多線(岡崎 - 豊田間)の工事実施計画を認可し、同年8月には岡多線(豊田 - 瀬戸間)も運輸大臣から認可された。
このころ、日本鉄道建設公団(鉄道公団)は岡多線(岡崎 - 瀬戸間:瀬戸以南)および瀬戸線を一体の環状線「岡多・瀬戸線」として重要視していた。また、愛知県も鉄道公団と同じく、瀬戸以北は岡多線(多治見方面)より、高蔵寺を経由して稲沢・名古屋方面へ向かう瀬戸線を重要視しており、瀬戸 - 多治見間の岡多線は「岡多・瀬戸線」の整備より遅れを取るようになった。実際、岡多線と瀬戸線の分岐駅である瀬戸市駅の構想段階における構造(2面4線・島式ホーム)は、岡多線(岡崎方面)と瀬戸線(高蔵寺方面)がともに本線(両方向とも複線)として計画されていた一方、同駅北方で本線(瀬戸線)から枝線として単線の岡多線(多治見方面)が分岐する構造だった。
岡多線(多治見方面)の経由地となることが予想されていた品野地区に名古屋学院大学を誘致していた瀬戸市側は、当初こそ岡多線多治見方面の早期整備を望んでいたが、次第にその重点は岡多線に限らず「環状線としての瀬戸線の早期建設・完工および瀬戸市をめぐる交通網の整備一般」へ変化し、岡多線期成同盟の運動も「名古屋市を中心とした環状鉄道の早期実現」へと重点を移していった。結局、鉄道公団は1979年(昭和54年)7月6日に、未開業の国鉄新線のうち、開業後に十分な輸送需要が見込めないとされるものについては建設を凍結することを決定。
これにより、当時未着工のままだった岡多線の瀬戸 - 多治見間(AB線・約20 km)も建設が凍結されたため、岡多線は瀬戸線とともに大環状線を形成する岡崎 - 瀬戸間のみが建設されることになり、事実上「岡瀬線」になった。
1970年(昭和45年)10月1日にトヨタ自動車上郷工場からの完成自動車輸送を目的に、貨物線として岡崎 - 北野桝塚間が開業した。1971年(昭和46年)10月からは岡崎 - 北岡崎間のユニチカ岡崎工場向けの原料輸送も行われている。1973年(昭和48年)3月には岡多線の予定ルートと並行する形で走っていた名鉄挙母線(上挙母駅 - 大樹寺駅間)が廃止・バス転換され、廃線跡は岡多線の用地に転用された。1976年(昭和51年)4月26日に新豊田駅まで路線が延長され、旅客営業も開始された。
延長路線は岡崎市、豊田市の中心市街地を通過しているものの、部分開業であり、かつ旅客営業開始後も列車本数は少なく、最終列車も早かったため、従来から存在する路線バス(国鉄・名鉄)に対抗できず、利用は伸び悩んだ。また、国鉄時代、名鉄名古屋本線の新名古屋(現:名鉄名古屋) - 岡崎公園前 - 東岡崎間に対抗して設定された特定運賃が名古屋 - 中岡崎(岡崎公園前駅に隣接)間ではなく名古屋 - 岡崎(岡崎市南郊に所在)間を対象に設定されたことも、岡多線の国鉄線としての存在を希薄化させることとなった。
旅客列車 70系(1976年4月 - 1978年12月) 113系(1978年12月 - 1985年3月) 165系(1985年3月以降)
貨物列車 EF60形電気機関車 EF61形電気機関車(1975 - 1976年頃) DD51形ディーゼル機関車(転換後も1999年まで使用)
※車両の受け持ちは、電車が神領区、電気機関車が浜松機関区。
旅客営業の開始当時は、神領電車区所属の70系電車が使用された。新規開業路線に旧形国電が使用されたケースは当線が最後である。また1980年代に入るともっぱら113系2000番台電車の運用になり、冷房車の普及も早かった。その後同車は東海道本線へ転出、当時余剰となっていた165系電車に置き換えられる。なお、開業時より電化されているため気動車は岡多線時代を含めて営業運用に入ったことはない(ただし検測時にはJR東海のキヤ95系が入線する)。
また社長・要員・本社位置・授権資本についても合意。 7月24日 - 愛知環状鉄道設立発足人会が開催される。 8月11日 - 第1回岡多線地方特定交通線対策協議会が開催される。岡多線(岡崎 - 新豊田間)を愛知環状鉄道へ転換し、岡多線・瀬戸線(岡崎 - 高蔵寺間)の工事区間も同社が継承することが決定した。 8月27日 - 国鉄再建法第14条第1項に基づく岡多線・瀬戸線(新豊田 - 高蔵寺間)の告示。建設の続行が決まる。 8月28日 - 愛知環状鉄道株式会社発起人総代が岡多線・瀬戸線(新豊田 - 高蔵寺間)の地方鉄道免許を申請。 9月2日 - 運輸大臣が岡多線・瀬戸線(新豊田 - 高蔵寺間)の免許について運輸議会に対し詰問する。 9月19日 - 愛知環状鉄道株式会社設立。 9月26日 - 運輸審議会による現地調査を実施(27日まで)。 10月9日 - 運輸審議会答申。岡多線・瀬戸線(新豊田 - 高蔵寺間)の免許が愛知環状鉄道に交付される。愛知環状鉄道は同区間の工事施行認可および特別設計許可申請を行う。 10月15日 - 工事施行認可(着手期限:1987年1月14日まで。竣功期限:1988年2月29日)および特別設計許可。愛知環状鉄道は日本鉄道建設公団による建設を申出。 10月30日 - 愛知環状鉄道と日本鉄道建設公団との間で基本協定書および工事施行協定書を締結。愛知環状鉄道は運輸大臣に工事着手届を提出。運輸大臣は日本鉄道建設公団に対し工事実施計画を指示。 11月15日 - 日本鉄道建設公団により、瀬戸線(瀬戸 - 高蔵寺間)の追加工事着工。
1987年(昭和62年) 4月1日 - 国鉄分割民営化により、岡多線(岡崎 - 新豊田間)は東海旅客鉄道(JR東海)が承継。
全ての列車が各駅に停車する普通列車で、ほとんどの時間帯で16分間隔で運行されている。岡崎駅 - 高蔵寺駅間の所要時間は約60分である。
岡崎駅 - 高蔵寺駅間の通し運転が基本であるが、一部は車両基地のある北野桝塚駅で車両交換が行われ、同一ホームでの乗り換えとなる。また、早朝・深夜時間帯の一部列車は瀬戸口駅・新豊田駅・北野桝塚駅発着となっているほか、平日の朝夕のみ瀬戸口駅 - 名古屋駅間でJR中央線直通列車が運転されている。JR中央線直通列車は2005年の愛知万博の際に「エキスポシャトル」として運行され、万博閉幕後は岡崎駅・瀬戸口駅 - 名古屋駅間で毎日運行されていたが、2012年3月17日のダイヤ改正から平日のみの設定となり、2014年3月15日のダイヤ改正で平日朝夕に名古屋駅 - 瀬戸口駅間のみでの運行となった。
このほか一部を除く平日の朝ラッシュ時には、臨時列車扱いで三河豊田駅 - 新豊田駅間に下り7本・上り8本のシャトル列車が運行されており、2017年より「あさシャトル」の列車名が付けられている。かつては平日夕方に「ゆうシャトル」も設定されていたが、新型コロナウイルス感染症の感染拡大による旅客減少を理由に2021年以降は運行されていない。
なお、岡崎駅で接続するJR東海道線との直通列車は2023年現在設定されていない。