湘南新宿ライン
大崎駅からは、埼京線と相互直通運転する東京臨海高速鉄道りんかい線を上下線の間に挟む形で同線と分岐し、通称「大崎支線」(蛇窪線)と呼ばれる短絡線に入る。この線は横須賀線列車の走る東海道本線の支線(通称・品鶴線)と立体交差した後、大きくカーブし、西大井駅の手前の旧蛇窪信号場(大崎駅構内)にて品鶴線と合流する。大崎支線はかつて山手貨物線(線籍上は山手線)だったが、現在は旧蛇窪信号場も含めて大崎駅構内の扱いである。
※ 大崎駅付近の配線略図(注意、巨大画像600px、表示幅800px)を表示するには、右の [表示] をクリックしてください。
2001年(平成13年)12月1日:ダイヤ改正から湘南新宿ラインの運転開始。 高崎線 - 東海道線直通の「快速」(東海道線内は普通、高崎線内は一部で快速運転)、宇都宮線 - 横須賀線直通の「普通」、新宿発着の横須賀線「普通」の3つを設定。それぞれ毎時1往復ずつ計3往復。1日あたり合計25往復。 直通列車は日中の池袋駅発着の宇都宮線・高崎線をそのまま延長したもので、この時点では朝夕の池袋駅・新宿駅発着列車は存続している。また、大船発大宮行も1本設定された。さらに、黒磯駅発着の列車も1往復設定された(2004年3月改正で宇都宮で運転系統が分離され廃止)。 それまでも土曜・休日に運転されていた東海道線「ホリデー快速」(新宿駅 - 小田原駅・熱海駅間)もホリデーの冠を外して湘南新宿ラインに組み入れられた(土曜・休日のみ運転)。 将来の増発を見込み、池袋駅北側の山手貨物線と埼京線の立体交差化工事も着工している。
2002年(平成14年) 5月:池袋駅北側の山手貨物線と埼京線の立体交差化工事の影響で、工事完了までの間、山手貨物線大塚駅 - 池袋駅間の池袋寄り一部区間が単線となる。当時の湘南新宿ラインのダイヤはこの工事による単線化を想定して編成されたため、ダイヤへの影響はなかった。 12月1日:東京臨海高速鉄道りんかい線の全線開通と大崎駅の埼京線・りんかい線用ホームの供用開始に伴い全列車が同駅に停車。同時に夕方→夜間を中心に湘南新宿ラインを増発(25→38往復)。また誤乗防止のために「湘南新宿ライナー」の朝上り列車が「おはようライナー新宿」、夕方下り列車が「ホームライナー小田原」と列車名を変更。
2003年(平成15年):特急「スーパービュー踊り子」(新宿駅 - 伊豆急下田駅間)を宇都宮線宇都宮始発で延長運転実施。
平日朝のラッシュ時は戸塚駅 - 西大井駅間で同じ線路を走行する横須賀線普通列車との運転間隔が短く、追い越し施設もないため、快速(東海道線 - 高崎線系統)であっても横須賀線普通列車と同等の所要時間を要する。例えば、戸塚駅を7時37分に発車する湘南新宿ライン快速籠原行きは横浜駅まで12分かかり、横浜駅到着が7時49分である。戸塚駅を7時40分に発車する上野東京ライン普通上野行きの横浜駅到着時刻7時50分より1分早いのみである。
運行開始当初の本数は、日中のみ25往復の設定となっていた。その内訳は、宇都宮線・高崎線からの直通列車は18往復で、ほかは新宿と東海道線・横須賀線方面を結ぶ列車が存在する程度で、東京駅及び上野駅発着列車に対する補助的な役割に過ぎなかった。だが、もともとこれらの末梢路線と東京副都心間には大きな需要があったことからその後の増発が期待されていた。当初、池袋駅構内の配線の関係で大幅増発ができなかったが、開業前から計画されていた改良工事が完成した2004年(平成16年)10月16日のダイヤ改正では、湘南新宿ラインの全列車が南北直通運転となり、運転本数も運行開始当初と比べて2.4倍増の64往復となった。それ以降もダイヤ改正ごとに増発が行われ、現在はそれ以上の本数で運転されている。
運行経路については、大宮駅 - 新宿駅 - 大船駅間では
東北本線(大宮駅 - 田端駅間):東北貨物線を走行
山手線(田端駅 - 品川駅間):山手貨物線を走行
東海道本線(品川駅 - 大船駅間):品鶴線及び横須賀線専用線を走行(東海道線 - 高崎線系統は戸塚駅 - 大船駅間で東海道線列車線を走行)
を経由する(「運行経路」の節も参照)。
大宮駅から田端駅までは東北本線の貨物線(通称・東北貨物線)を走行する。大宮駅から赤羽駅までは東北本線旅客線(上野・東京・品川・川崎方面の宇都宮線・高崎線列車〈上野東京ライン〉が走る線路)及び京浜東北線(線籍上は東北本線)と並走する。宇都宮線・高崎線が停車するさいたま新都心駅は貨物線にホームがないため停車しない。
王子駅付近で尾久車両センター方面(尾久駅)への東北本線旅客線と別れた後、東京新幹線車両センター沿いを京浜東北線と並走し、田端駅構内で京浜東北線と分かれて中里トンネルに入り、大きく西へカーブして山手線の南側に出る。ただし田端駅には湘南新宿ラインの列車は停車しない。
南行(大船方面)は21から、北行(大宮方面)は20から始まり、南行は奇数、北行は偶数で表される。