上野東京ライン
常磐線方面からの直通運転は、2002年のプレスリリースで「朝通勤時間帯については直通列車の混雑等を勘案し、宇都宮線・高崎線からの乗り入れを基本」とされており、それ以外の時間帯については言及されていなかった。2007年8月24日付けの読売新聞千葉版で、常磐線の本路線への乗り入れは「特急の一部のみ」の方針と記されるが、2008年のプレスリリースは「具体的な輸送計画については今後検討を進めてまいります」としていた。2012年の経営構想に関するプレスリリースには「常磐線をはじめ、宇都宮線や高崎線の東京駅及び東海道線方面への乗入れ」と微妙な記述の変化があった。2014年5月18日付けの茨城新聞では、「上野東京ラインに3線すべての列車が乗り入れることは物理的に困難で、今後の振り分け本数も注目される。また茨城新聞の取材に対し、国土交通省幹部は『利用実績で割り振るのが基本だが、北関東から南関東へ抜ける湘南新宿ラインのような路線がないこともあり、常磐線はかなりの本数が入るだろう』と見通しを明かす」と報じた。
しかし、上野東京ライン下り線と常磐線下り線との間では上野東京ライン上り線(東京方面)を横切る平面交差が生じ、運行上のボトルネックとなる可能性があるほか、車両の特殊性(中距離列車が交直流電車であることと、快速電車にグリーン車とトイレがないこと)などから、運用が限定される可能性も指摘されていた。これらのネックは、開業時の概要や改正ダイヤの発表において言及されていた。
その後、品川駅の2面ある臨時ホームを上野東京ラインの折り返し用に転用する計画に変更し、これによる同駅の配線変更工事を2014年までに完了した。
さらに帰省時期には名古屋駅発(静岡駅発などの列車もあった)青森駅行き(東北本線経由の列車と常磐線経由の列車の双方があった)の急行「あおもり」など、東京都心を串刺しにする長距離列車も運行されていた。
なお、この戦後からの時代では、東京駅から秋葉原駅山手線・京浜東北線ホーム付近までは2本の線路が敷かれていたものの、東側の線路は東京駅の留置線・引上線として使用されており、西側の線路のみが列車の運行に用いられていた。東側の線路は縦列に4本の列車を留置できるようになっており、境目には両渡り線がそれぞれ設置されていた。秋葉原駅付近で東側の線路が車止めで途切れており、西側の線路のみが敷設されている区間が僅かに存在した。御徒町駅手前からは再び線路が2本となり、この先は両側の線路が列車の運行に用いられていた(上り線には線路が1本となる直前に東京駅の第1場内信号機があったが、ここまでが東京駅構内であった)。秋葉原駅出発信号機の先で貨物駅からの線路と合流し、上野駅場内信号機の先で3線に分岐していた(秋葉原駅 - 上野駅間では複線のさらに東側に両駅の引き上げ線が並行していたが、途中で途切れていた)。このことから多数の列車を走行させるには適しておらず、旅客列車の乗り入れは限定的であり、国鉄社内でも「東京 - 上野回送線」と呼ばれることが多かった。
その後、東北新幹線敷設工事の用地問題や東京駅在来線ホームの縮小により、1973年4月限りで定期列車の東京駅乗り入れが中止となり、帰省時の品川駅始発列車の運行は1975年年末で終了、わずかに残った郵便・荷物・回送・団体列車も1983年1月31日限りで直通運転が廃止され、線路用地を新幹線に転用するために秋葉原駅 - 神田駅付近で線路が分断された結果、東北本線系統の列車は東京駅に乗り入れできなくなった。
運行系統としては、宇都宮線・高崎線 - 東海道線の系統と常磐線 - 品川駅の系統が設定されており、それぞれの系統に普通列車のほか、後述の快速列車などおよび特急列車(常磐線のみ)も設定されている。上野駅 - 品川駅間は東京駅・新橋駅に停車する(特急列車は新橋駅を通過)。
東京発宇都宮線・高崎線方面行き(北行)や宇都宮線・高崎線方面発品川行き(南行)、上野駅発着東海道線方面の列車も運転されている。上野駅発着の宇都宮線・高崎線方面の列車は上野東京ライン運行時間帯も主に「地平ホーム」発着で運転されている。東京駅発着の東海道線方面の列車は早朝・深夜のみ運転されている。また、京浜東北線と並列している大宮駅 - 横浜駅間、山手線と並列する日暮里駅 - 品川駅間では、京浜東北線・山手線に対して、主要駅にしか停車しない上野東京ラインの列車が快速列車の役割を果たしている。
常磐線は上野駅発着列車の方が多く、品川駅発着列車は、特別快速や中距離列車、および大半の特急列車であり、取手駅・成田駅までの快速電車は少数である。