東北本線
一ノ関駅を出ると、北上川西岸を延々と北上するルートとなる。次の平泉駅では奥州藤原氏の威光を伝える世界遺産・平泉への観光客が乗り降りする。その後、胆沢扇状地の扇端をなぞるように北上し、途中で奥州市の中心市街地にある水沢駅へ到着する。田園地帯を走り胆沢川を越えると、六原扇状地をなぞるように金ケ崎町を北上。旧仙台藩と旧盛岡藩との旧・藩境を越えて新幹線駅併設の北上駅に入る。北上駅を出るとすぐ秋田県・横手盆地へと向かう北上線が左手に分岐する。同駅周辺からは線形が直線の区間が多くなる。さらに北上して花巻駅に着くと、花巻温泉郷や宮沢賢治縁りの地に向かう観光客で賑わう。花巻市には同駅のほかに、釜石線と東北新幹線が交差する新花巻駅、岩手県唯一の空港・花巻空港に最寄りの花巻空港駅や似内駅がある。紫波中央駅付近から東北新幹線と並走するようになり、岩手山が左手に見えてくると盛岡駅に到着。同駅で田沢湖線(秋田新幹線)や三陸海岸方面へ延びる山田線が分岐する。なお、他区間に比べて線形が極めて良いため、東北地方では珍しく100km/h以上で走行する普通列車も多数存在する。
なお、前述のように経営分離された盛岡駅 - 青森駅間はIGRいわて銀河鉄道と青い森鉄道の路線を走行するため、この区間を経由する場合の運賃・特急料金には両社の運賃と両社線内の特急料金が加算されるが、2016年3月改正時点では該当する定期旅客列車はない。
以下に東北本線で運行されている列車を挙げる。強調した区間が東北本線内を表す。東京駅 - 大宮駅間に乗り入れる高崎線直通列車については「高崎線」を、東京駅 - 日暮里駅間に乗り入れる常磐線の列車については「常磐線」を、過去の列車については「東北本線優等列車沿革」の各記事を参照。
特急「日光」「きぬがわ」「スペーシアきぬがわ」 : 新宿駅 - 田端駅(通過) - 大宮駅 - 栗橋駅(通過) - 東武日光駅間
特急「ひたち」:品川駅 - 東京駅 - 上野駅 - 日暮里駅(通過) - いわき駅 - 岩沼駅(一部停車) - 仙台駅間
白坂 - 白河間に磐城西郷信号場、日詰 - 矢幅間に古館信号場、矢幅 - 仙北町間に中通信号場、厨川 - 滝沢間に長根信号場、御堂信号場 - 奥中山間に吉谷地信号場、小繋 - 小鳥谷間に滝見信号場開設。 11月11日:行人塚駅、三百人町駅、小田原東丁駅廃止。 11月15日:陸前山王 - 品井沼間開業(海線・当初は貨物営業のみ)。塩竈線 岩切 - 陸前山王間を複線化し、東北本線に編入。新松島信号場、北塩釜信号場開設。 12月:新田 - 石越間に畑岡信号場開設。
1945年(昭和20年)8月15日:平泉 - 前沢間に衣川信号場開設。
1946年(昭和21年)10月20日:貨物支線の浪打 - 堤川間休止。
1947年(昭和22年)9月15日:カスリーン台風による豪雨で各地に被害。栗橋駅 - 古河駅間で利根川の増水、蒲須坂駅 - 野崎駅で四か所が冠水、仙台駅 - 岩切駅間で道床流失および浸水、利府駅 - 赤沼駅間で道床流失、松山町駅付近浸水、小牛田駅付近で道床流失、瀬峰駅 - 梅ヶ沢駅間で土砂崩壊、平泉付近で衣川堤防決壊による冠水など被害甚大。
1948年(昭和23年) 4月24日:野内駅近くで野内川鉄橋で23両編成の貨物列車が脱線。機関車と貨車20両が川に転落して乗員2人死亡、1人重傷、。 8月1日:下野豊原駅を豊原駅に改称。 10月1日:目時信号場を駅に変更して目時駅開業。 12月15日:五百川信号場を駅に変更して五百川駅開業。 12月19日:杉田信号場を駅に変更して杉田駅開業。
1949年(昭和24年)3月1日:古館信号場を駅に変更して古館駅開業。
7月25日:苦竹信号所を駅に変更して東仙台駅開業。 9月1日:赤羽 - 大宮間直流電化。 11月20日:二枚橋信号場を駅に変更して二枚橋駅(現・花巻空港駅)開業。 12月26日:幡谷信号場を駅に変更して品井沼駅開業。
1933年(昭和8年) 1月15日:諏訪ノ平駅開業。 7月1日:上中里駅開業。 8月15日:行人塚駅・三百人町駅・小田原東丁駅・塩竈線 多賀城前駅(現・陸前山王駅)開業。
1934年(昭和9年) 2月1日:川口駅を岩手川口駅に改称。 2月15日:川口町駅を川口駅に改称。 6月1日:尻内 - 古間木(現・三沢)間でガソリンカーを運転開始。 12月1日:福島 - 松川間でガソリンカーを運転開始。
1936年(昭和11年) 6月20日:清水川信号場を駅に変更して清水川駅開業。 7月10日:木ノ下信号場を駅に変更して向山駅開業。 9月1日:北浦和駅開業。
1937年(昭和12年)2月1日:三ヶ尻信号場を駅に変更して六原駅開業。
1939年(昭和14年)10月1日:西平内駅開業。
1943年(昭和18年) 3月1日:有壁 - 一ノ関間に真柴信号場開設。 7月20日:瀬峰 - 新田間に梅ケ沢信号場開設。 10月1日:滝沢 - 好摩間に渋民信号場、奥中山 - 小繋間に西岳信号場開設。
1944年(昭和19年) 2月1日:石越 - 花泉間に油島信号場開設。 5月1日:塩竈線 多賀城前駅を陸前山王駅に改称。 6月15日:貨物支線 浪打 - 堤川間開業。 8月1日:古間木 - 沼崎間に小川原信号場開設。 10月1日:花泉 - 有壁間に清水原信号場開設。 10月11日:轟信号場を駅に変更して陸奥市川駅開業。
1883年(明治16年)7月28日:日本鉄道第一区の上野 - 熊谷間開通、上野駅・王子駅・浦和駅・上尾駅・鴻巣駅・熊谷駅開業。このうち上野 - 大宮駅(この時点では未開業)間が現在の東北本線に相当する。 同年内に王子 - 浦和間に(貨)川口駅開業。
1884年(明治17年) 9月23日:川口駅旅客営業開始。 10月6日:川口駅旅客営業廃止。
1885年(明治18年) 3月1日:赤羽駅開業。(貨)川口駅廃止。 3月16日:大宮駅開業。 7月16日:大宮 - 栗橋間および中田仮 - 宇都宮間開通。蓮田駅・久喜駅・栗橋駅・中田仮駅・古河駅・小山駅・石橋駅・宇都宮駅開業。橋脚が完成していない利根川は鉄道連絡船で連絡していた。
1886年(明治19年) 6月17日:栗橋 - 中田仮間の利根川橋梁が完成、同区間が開通し、上野 - 宇都宮間全通。中田仮駅を中田信号所に変更。 10月1日:宇都宮 - 那須(現・西那須野)間開通、矢板駅・那須駅開業。このときの宇都宮 - 矢板間は、現・東北新幹線に近い経路であった。 11月1日:宇都宮 - 矢板間に長久保駅開業。 12月1日:那須 - 黒磯間開通、黒磯駅開業。
1887年(明治20年) 7月16日:黒磯 - 郡山間開通、豊原駅・白河駅・矢吹駅・須賀川駅・郡山駅開業。 12月15日:郡山 - 塩竈(後の塩釜線塩釜港)間開通、本宮駅・二本松駅・松川駅・福島駅・桑折駅・白石駅・大河原駅・岩沼駅・仙台駅・塩竈駅開業。
1888年(明治21年)10月11日:増田駅(現・名取駅)・岩切駅開業。
1890年(明治23年) 4月16日:岩切 - 一ノ関間開通(山線経由)、(旧)松島駅・小牛田駅・瀬峰駅・石越駅・花泉駅・一ノ関駅開業。
当初、これらの路線は東京 - 高崎間が第一区線、第一区線の途上駅 - 宇都宮 - 白河間が第二区線、白河 - 仙台間が第三区線、仙台 - 盛岡間が第四区線、盛岡 - 青森間が第五区線とされ、この順番で建設が進められた。
第一区線はもともと京浜線(新橋 - 横浜間の鉄道)の間にある品川から山手を経て赤羽、川口と経る経路が計画されたが、起伏地の多いこの区間の建設には技術的に時間がかかることが想定されたため、まずは上野を起点とし赤羽に至る経路で建設することとなった。1883年(明治16年)7月28日、日本初の「民営鉄道」として上野駅 - 熊谷駅間が開業した。開業時の開設駅は上野駅(・王子駅)・浦和駅(・上尾駅・鴻巣駅・熊谷駅)で、現在は中距離列車の停車しない王子駅も含まれていた一方、大宮には駅が設置されなかった。翌1884年(明治17年)に高崎駅、前橋駅まで延長され、第一区線は全通した。高崎まで開通した同年6月25日には、明治天皇臨席のもと上野駅で開通式が行われ、この際に明治天皇は上野 - 高崎間を往復乗車した。
一方で、第二区線の敷設経路についてもいくつかの案(熊谷、大宮、岩槻分岐案)が提示されていた。当時、現栃木県域の実業家等は養蚕業および製糸業の中心地である両毛地区(現在の桐生市・足利市・佐野市付近)を経由して第二区線を建設することを求めて日本鉄道会社に出資し、また政府も養蚕・製糸業を殖産業に位置づけていたため、これを経る熊谷分岐案が最有力と見られていた。
さらに高度経済成長に伴う鉄道の高速化事業に乗り、当線も電化・複線化が進み、東京から宇都宮駅を経て栃木県の観光地(日光・那須方面)間を結ぶ中距離優等列車が当時最新型の157系「日光型」を使用して運行されたほか、当線の全線電化・複線化が完了した1968年(昭和43年)10月には「ヨンサントオ」と通称される白紙ダイヤ改正が実施され、これ以降東北本線にも485系電車や583系電車・455系電車・165系電車を用いた特急・急行列車が大増発された。
東北新幹線開業後は、長距離優等列車は新幹線経由で運行されることとなり、線路容量に余裕が生じた在来線では中距離普通列車が増発された。また、津軽海峡海底部に建設された青函トンネルの開通後は当線を経由して東京と北海道を結ぶ寝台特急列車や貨物列車が設定されるようになるという変化も起きた。1990年(平成2年)3月10日には、上野駅 - (日暮里駅) - 尾久駅 - 赤羽駅 - 黒磯駅間に「宇都宮線」の愛称が制定され、鉄道利用者がこの区間を「東北本線」や「東北線」と呼ぶことは少なくなった。
2002年(平成14年)12月1日に東北新幹線 盛岡駅 - 八戸駅間が開業した際、当線の盛岡駅 - 目時駅間はIGRいわて銀河鉄道に、目時駅 - 八戸駅間は青い森鉄道(施設保有は青森県)に経営移管され、当線の本線は東京駅 - 盛岡駅間と八戸駅 - 青森駅間の2つに分かれることとなった。その後、2010年(平成22年)12月4日に東北新幹線 八戸駅 - 新青森駅間が開業して全通し、当線の八戸駅 - 青森駅間は青い森鉄道(施設保有は青森県)に経営移管された。以降は、本線の正式な区間としては東京駅 - 盛岡駅間となり、一般的に「東北本線」の名称が用いられるのは黒磯駅 - 盛岡駅間となっている。