上野東京ライン
上野駅止まりだった宇都宮線・高崎線・常磐線の一部の列車による東京駅までの乗り入れがまず想定されていた。また、今後の利用状況を勘案し品川駅折り返しや、品川駅以遠の東海道線との相互直通運転が想定されていた。また2013年12月9日付の毎日新聞では、「朝の通勤時間帯の運転本数は当初は1時間当たり15本、翌年からは最大20本にする方針」と運転本数に関しての情報も記載されていた。さらに2014年2月26日付の朝日新聞では「それぞれ何本乗り入れさせるか、JR東日本は『検討中で、まだ何も言えない』とする。ただ、同社の幹部は『乗客の利便性向上が最優先なので、3線の利用実績に基づいて割り振ることが基本的な考え方だ。利用実績は調査中』と話す。また、乗り入れた列車の多くは、乗降客が多く折り返し設備が整った品川で折り返し運転をする見込みだという」と報じていた(後述の通り、当初計画にあった、特に常磐線列車の東京駅折り返しは品川駅折り返しに計画が変更された)。
2014年8月1日、当時のJR東日本社長・冨田哲郎がBS11のインタビュー番組に出演し、「上野東京ラインで常磐線での上野での乗り換えが不要になる。
ここでは、東北縦貫線計画によって建設された上野東京ライン専用区間である上野駅 - 東京駅間について解説する。
東北新幹線建設時に撤去された秋葉原駅 - 神田駅南側に新設した高架橋(新幹線上の重複部及びアプローチ部:合計約1.3km)と、その両側の工事開始前に使用されていた留置線とそこへの接続線東京駅 - 神田駅間(約0.9km)・秋葉原駅 - 上野駅間(約1.6km)の既存の高架橋上の線路を改良した合計3.8km(営業キロ3.6km)の高架構造となっている。
高架橋の設計耐荷重:新設された高架橋の設計荷重(「活荷重」の列車荷重の項目参照)は電車や気動車のみを対象としたM荷重ではなく、電気機関車重連で貨物列車の走行を想定したEA荷重で最も強度があるEA-17荷重規格で建設が行われた。このことが分かるものとして神田駅北側で交差する中央通りに架かる「神田大通りこ線線路橋」に設計荷重の(EA-17)と記載された銘版がつけられている。また実際にこの活荷重を証明するため、2015年2月21日に電気機関車重連(EF65 1106と1107)による走行および勾配起動試験が実施された。
朝の北行に限り、東海道線内を普通として運行し、東京駅にて宇都宮線快速「ラビット」または高崎線快速「アーバン」に種別変更する直通列車が設定されている。なお、湘南新宿ライン特別快速(東海道線・高崎線内快速運転)のように両線区を跨がって快速運転する列車は運行されていない。また、2021年3月13日のダイヤ改正より、快速「アクティー」は上野東京ラインとしては設定されなくなり、東京駅を始発駅とするようになった(夜間においての宇都宮線「ラビット」、高崎線「アーバン」も同様)。
直通範囲は湘南新宿ラインよりも広く、宇都宮線側の大半は宇都宮駅まで、高崎線側の大半は高崎駅まで、一部は上越線新前橋駅経由で両毛線の前橋駅まで、東海道線側の大半は熱海駅まで(湘南新宿ラインは小田原駅まで)、一部は伊東線の伊東駅や東海旅客鉄道(JR東海)管内の沼津駅まで直通する。元々は宇都宮線側は最遠で黒磯駅まで直通していたが、2022年3月のダイヤ改正での宇都宮駅 - 黒磯駅間のワンマン運転化に伴い、同区間への乗り入れが廃止され、路線図からも宇都宮駅 - 黒磯駅間は上野東京ラインから除外された。
大半は15両編成で運転されるが、一部の列車は10両編成で運転されている。15両編成での最長運転列車は、宇都宮線系統が宇都宮駅 - 熱海駅間(および熱海駅で増解結を行う沼津駅・伊東駅発着)の列車、高崎線系統が休日朝に存在する深谷駅発熱海駅行きである。
宇都宮線・高崎線と東海道線との間で、ほぼ終日にわたり相互直通運転を行っている。朝ラッシュ時は、南行は宇都宮線 - 東海道線系統と高崎線 - 東海道線系統の列車がそれぞれ5本ずつが直通する。北行は東海道線から宇都宮線・高崎線へ直通する列車と、上野行きがほぼ半数ずつとなる。
日中は、宇都宮線 - 東海道線系統と高崎線 - 東海道線系統の列車がそれぞれ1時間あたり3本ずつ直通し、2つの系統を合わせて宇都宮線・高崎線大宮駅 - 東海道線平塚駅間で1時間に6本となり、全列車が各駅に停車する大宮駅 - 東海道線藤沢駅間で約10分間隔での運転が基本となる。大宮駅以南では全列車が上野東京ラインか湘南新宿ラインのどちらかを経由して東海道線または横須賀線に直通する。