大和路線
大和路線ではすべて電車で運転されている。以下の各系列のうち通勤形電車の103系・201系は車体色が吹田総合車両所奈良支所所属車がウグイス(黄緑6号 ■)であり、2016年9月までは朝・夕ラッシュ時に森ノ宮支所所属の車両(車体色は朱色1号■)も使用されていた。大和路線で使用する車両が配置されている奈良支所は、221系が大量投入されて以降は網干総合車両所からの221系・201系の転属にとどまり、通勤形車両は電化以来一度も新車が導入されていない。大和路線ではおおさか東線や片町線(学研都市線)からの直通列車でVVVFインバータ車両の207系・321系が運用されているものの、奈良支所には2022年現在もVVVFインバータ車両の配置がない状況が続いている。
221系(吹田総合車両所奈良支所所属) 1989年4月10日から営業運転を開始した大和路線の主力車両。全種別で運用され、和歌山線・桜井線(万葉まほろば線)にも乗り入れる運用がある。奈良支所には1989年から1991年にかけて78両が新製投入された。1997年以降、琵琶湖・JR京都・神戸線系統の新快速の223系・225系増備に伴い、余剰となった221系の転入が始まり、103系などの置き換えや編成両数増強が進められた。
4・6・8両単独のほか、4両を2本繋げた8両編成でも運行されている。 2021年10月2日のダイヤ改正以降、後述の201系を順次221系に置き換えている。 2023年10月23日以降は、8両編成のうち1号車の1 - 5番座席を指定席にした有料座席サービス「快速 うれしート」の対象列車として、221系8両編成が使用されている。サービス区間内の1号車車内中央部では、仕切りとして暖簾が吊るされる。
201系(吹田総合車両所奈良支所所属) すべて6両編成で2006年12月20日から営業運転を開始し、大和路線のほかに、早朝やラッシュ時には桜井線(万葉まほろば線)でも運用されている。おおさか東線・和歌山線の運用は2022年3月11日に、加茂駅 - 奈良駅間の運用は2023年3月17日をもって終了した。 JR京都・神戸線の321系投入に伴い2006年から2008年に明石支所と森ノ宮支所から転入してきた車両と、大阪環状線・JRゆめ咲線の323系投入とおおさか東線新大阪延伸による運用増に伴い2017年から2018年に森ノ宮支所から転属してきた車両が配置されている。 2020年から2023年度にかけて、琵琶湖・JR京都・神戸線への225系の追加投入により、網干総合車両所に所属する221系が当線に転属し、201系を置き換える予定である。
春・秋行楽時の土曜・休日には、往路は大和路線内では大和路快速または快速に併結して天王寺方面から奈良駅・桜井線(万葉まほろば線)を経由して高田駅まで、復路は奈良発快速JR難波行を桜井駅始発として延長運転していたが、2011年春からは運転されていない。2009年度まで「山の辺の道レジャー号」として運転されていた。
直通快速は、2008年3月15日のおおさか東線部分開業により設定された列車である。おおさか東線が全線開業した2019年3月16日からは、おおさか東線経由で奈良駅 - 新大阪駅間において運転され、2023年3月18日からは大阪駅(うめきたエリア)地下ホームに乗り入れている。平日は朝に大阪行きが4本と夕方に奈良行きが4本、土休日は朝夕に2往復ずつ運転されている。停車駅は奈良駅 - 王寺駅の各駅と久宝寺駅・JR河内永和駅・高井田中央駅・放出駅・JR淡路駅・新大阪駅・大阪駅である。2023年3月18日のダイヤ改正より221系8両編成が使用されている。改正前までは網干総合車両所明石支所所属の207系と321系が使用されていた。
2019年3月15日まではおおさか東線・学研都市線・JR東西線経由で奈良駅 - 尼崎駅間の運転で、運行本数は毎日朝に尼崎行きが4本と夕方に奈良行きが4本、停車駅は奈良駅から王寺駅の各駅と久宝寺駅、放出駅、京橋駅から尼崎駅の各駅であった。
2006年3月18日のダイヤ改正では、ダイヤの余裕時間の見直しによる影響で日中の王寺行きが柏原止まりとなり、天王寺駅基準で19時台までの上り普通列車はすべて柏原駅で通過待ちを行うようになり、所要時間が長くなった。
2008年3月15日のおおさか東線の開業により、久宝寺駅ではおおさか東線が副本線を使用することになったため、おおさか東線への影響を抑えるために大和路線普通が本線発着に、普通と緩急接続するほとんどの快速列車が副本線発着にそれぞれ変更された。王寺方面行きの普通は久宝寺駅で快速列車と緩急接続した後、続いて進入するおおさか東線の列車を待つダイヤが一部組まれるようになったため、その列車については久宝寺駅での停車時間が若干長くなり、柏原駅での停車時間が若干短くなった。一方で、天王寺駅での緩急接続は、阪和線からの直通列車が増加傾向にあり15番のりばを専有できないことから無くなった。
2011年3月12日のダイヤ改正以降、日中は上下列車ともに柏原駅で快速の通過待ち、久宝寺駅で大和路快速と緩急接続を行うダイヤとなった。日中は普通の間に快速列車が2本運転され快速の運転間隔が短いことから、柏原駅での停車時間は約2分に抑えられており、以前のような長時間停車はなくなった。ただし、夕方以降は引き続き柏原駅で5分以上停車する列車も存在している。