山手線
第一次世界大戦以降、東海道本線と東北本線・常磐線方面の間の貨物輸送量は日露戦争時以上に増え、山手線は複々線化されることになった。まず品川駅 - 大崎駅間が1918年12月20日に複々線化され、1925年3月28日に全線の複々線化が完了した。このときにできた貨物線が山手貨物線である。同様の事業はほかの線区でも行われた。1929年8月21日には東海道線の貨物を分離するために品鶴線(17.8 km)が新設され、2つの貨物線の分岐点には目黒川信号場が設置された。その後、1934年12月1日には大宮操車場・田端操車場から山手貨物線を経由して新鶴見操車場(現・新鶴見信号場)に貨物列車を直通させるため大崎支線が開通し、品鶴線との分岐点に蛇窪信号場が開業した。
1918年(大正7年)12月20日:品川駅 - 大崎駅間開業。この区間は貨物線の増設
1919年(大正8年)1月28日:大崎駅 - 恵比寿駅間開業(大崎駅 - 田端駅間は電車線を増設)
1921年(大正10年)7月15日:恵比寿駅 - 渋谷駅間開業
1922年(大正11年)7月25日:渋谷駅 - 原宿駅間開業
1924年(大正13年)12月5日:原宿駅 - 新大久保駅間開業 9月11日:新大久保駅 - 池袋駅間開業 12月28日:池袋駅 - 巣鴨駅間開業
1925年(大正14年)3月28日:巣鴨駅 - 田端駅間開業。その後駒込駅 - 田端駅(のちに田端操駅)間貨物線を中里トンネル経由に付け替え。もともとの本線は放棄。
2019年(令和元年)度の各駅の乗車人員(降車人員含まず)は以下の通りである。
その後、2012年度には大崎駅と池袋駅で、2013年度には巣鴨駅・駒込駅・大塚駅・目白駅・高田馬場駅・新大久保駅・田町駅、2014年度には御徒町駅・鶯谷駅・田端駅・有楽町駅・原宿駅・五反田駅・西日暮里駅、2015年度には秋葉原駅・代々木駅・上野駅・神田駅・日暮里駅、2016年度には品川駅に導入されている。
これに関連して、上野東京ラインの開業による混雑率の低下および西日暮里駅 - 浜松町駅間で乗り入れる可能性がある京浜東北線の電車との関係により、2010年2月19日より編成に組み込まれた6扉車の4扉車への置き換え(置き換え期間中の6扉車の平日朝の座席格納は中止)や、床下にホームドア対応機器の設置が進められ、両駅間の6扉車だった停車位置へのホームドア設置は置き換え後に開始されている。
なおホームドアにあるウグイス色のラインは、誤乗防止のため内回りと外回りで表記が異なり、内回り側は単線、外回り側は二重線である。
なお、ほかの駅が始発となる電車で大崎駅を00分以前に発車する電車は「始発駅発時(24時間)」を-1する。
山手線は平日には外回りが328本、内回りが322本、計650本が1日に運行されている。土曜・休日には外回り297本、内回り286本の計583本になる。2007年3月18日の改正で外回りでは平日の朝ラッシュ時に1本増発、夕方ラッシュ時に1本削減し全体での運行本数は変わらず、休日も変動はなかったが、内回りは平日は4本、土曜・休日は5本の削減となった。この改正以降、2分20秒間隔で1時間25本を運行している。改正前日の17日までは2分30秒間隔で24本の運行であった。これは車両が205系からE231系になり、アナログATCがデジタルATCになったことで1分 - 1分40秒短縮することができたためである。
例外的な運用として、後述のリフレッシュ工事の日で田端駅 - 田町駅間を京浜東北線と線路を共有する時間帯は、この区間の運転本数を削減するために池袋駅と大崎駅の間を往復する電車が5本に1本程度設定される。このため、大崎駅 - 田町駅間および池袋駅 - 田端駅間は運転間隔が少し長くなる。
また、1956年11月19日に山手線と京浜東北線の線路が分離され、両線とも運転本数が増やされたが、増えた車両数に対応する車庫の建設が追いつかなかったため、一部編成を京浜東北線の蒲田電車区や下十条電車区(現在の下十条運転区)に留置させる必要が生じ、特に後者は山手線車両の配置も一時的に実施された。
各年度の平均通過人員、旅客運輸収入は以下の通り。数値は品川駅 - 渋谷駅 - 新宿駅 - 池袋駅 - 田端駅間のみ。田端駅 - 上野駅 - 東京駅 - 品川駅間は東北本線および東海道本線に合算され公表されている。
近年の混雑率の推移は以下の通り。
開業以来、武蔵野線が開通するまでは、関東北部および東北方面から横浜港方面に向けの輸出品輸送、逆方向の輸入品輸送の大動脈であった。現在も少数であるが東北本線方面と東海道本線方面を結ぶ貨物列車が毎日運行されている。
旅客輸送は、開業当初は新橋駅 - 品川駅 - 渋谷駅 - 新宿駅 - 板橋駅 - 赤羽駅間を往復する列車が1日数往復のみ運行され、その後、東京山手の人口増に伴い上野駅を起点として池袋駅、新宿駅、渋谷駅、品川駅、新橋駅を経て東京駅方面に至る環状運転が開始され、その後、上野駅 - 東京駅間の開通により京浜線と東北本線の相互直通運転が開始された時期と同じくして現在の運行形態へと移行、定着した。
明治後期から昭和期にかけての私鉄各社は、地下鉄道であれば東京地下鉄道や東京高速鉄道のように東京15区内に路線を敷設できたが、地上線となると東京15区内が東京市電の路線網内だったこともあり敷設が難しく、山手線の各駅に隣接して都心側のターミナル駅を設置することとなった。戦後も引き続き山手線内に新設する路線はすべて地下鉄道であることが条件となったため、私鉄の資本力では山手線内に直通することは実現不可能となった。山手線の各駅は都内交通への乗り継ぎ・中継地となり、やがて各私鉄が自力で都心延伸するよりもターミナルに自社の商業施設を集中した方が利益になると判断し始めて、西武百貨店や東急百貨店などの電鉄系百貨店を開業させた。