青梅線
青梅短絡線を運行する列車は主に、中央線と青梅線を直通運転する下り列車、および南武線と青梅線の直通列車(「ホリデー快速湘南号」等の臨時列車や貨物列車)である。青梅線の線内列車は基本的にこの線路を運行しないが、早朝の一部列車に豊田車両センターからの送り込みの関係で立川駅の4・5番線から発車するものがあり、その列車についてはこの線路を運行する。
貨物列車としては、在日米軍横田基地への航空機燃料輸送のための専用貨物列車(輸送区間は安善駅 - 拝島駅間で鶴見線・南武線浜川崎支線・尻手短絡線・武蔵野貨物線・南武線・青梅線経由)が週に数回運行されている。また、かつて浜川崎駅 - 奥多摩駅間で運行されていた石灰石輸送の専用貨物列車もこの短絡線を利用していた。
10月3日:五日市鉄道は南武鉄道に合併し、同社の五日市線となる。
1944年(昭和19年) 4月1日:国により買収・国有化され立川駅 - 武蔵上ノ原駅間(0.8km)は五日市線となる。休止中の貨物支線、武蔵上ノ原 - 西立川間(1.2km)は青梅線に編入されたうえで、(営業)廃止。 10月11日:五日市線の立川駅 - 武蔵上ノ原駅 - 拝島駅間を不要不急路線として休止(実質廃止)。ただし、立川駅 - 武蔵上ノ原駅間は青梅線の渡り線として存続され、立川駅 - 武蔵上ノ原駅(廃止) - 西立川駅間という現在の「青梅短絡線」の形ができ上がる。
1950年(昭和25年)10月1日:夕方に東京駅→青梅駅間(下り)で直通電車運転開始。
1987年(昭和62年)4月1日:国鉄分割民営化によりJR東日本が継承。JR貨物が第2種鉄道事業者となる。
1998年(平成10年)8月13日:石灰石輸送貨物列車がこの日限りで運転終了。
日本貨物鉄道(JR貨物)が第二種鉄道事業者となっている立川駅 - 拝島駅間で、臨時貨物列車が運行されている。
拝島駅最寄りの在日米軍横田基地向けの石油(ジェット燃料)輸送が行われており、安善駅と拝島駅の間を、南武線と青梅短絡線経由で結ぶ専用貨物列車が基本的には1週間に2日程度、EF65形やEF210形などの電気機関車牽引で運行されている(火曜日と木曜日の運行が多い)。なお、在日米軍所有の横田基地線は非電化単線のため、同線牽引のためのDD200形ディーゼル機関車も、単機で立川駅 - 拝島駅間を貨物列車の入線日に合わせて走行する。2014年3月ダイヤ改正で武蔵野貨物線へ一部経路変更後、運転頻度が多くなり、特に7月以降は月曜から金曜の平日(休日含む)のうち、3日以上、週によっては毎平日運転されるようになっている。
奥多摩地区で採掘される石灰石輸送も全線で長らく行われていたが、1998年(平成10年)8月までに全て廃止され、トラック輸送に切り替えられた。
青梅線はかつてより青梅駅を境に輸送量に大きな差があり、運行形態も青梅駅でほぼ分離されるようになったが、奥多摩町と青梅市の強い要望により、朝方には平日・土休日ともに、上りは奥多摩駅ないし御嶽駅から、立川駅・東京駅まで直通運転する列車がある。ただし奥多摩駅発の東京行きは平日が5・6時台に2本、土休日は6時台に1本のみの運行となっている。輸送量の多い東側の区間のうち、立川駅 - 東青梅駅間は複線だが、東青梅駅 - 青梅駅間は単線のままである。また、青梅駅も留置線を除くと1面2線と、運転系統を分離している駅としては小規模であり、運転本数やダイヤの設定における制約となっていて、一部下り列車には一駅先の宮ノ平駅で折り返すものもある(青梅駅 - 宮ノ平駅間は上下とも回送)。東青梅駅 - 青梅駅間の複線化は青梅市がJRに要望しているものの、実現のめどは立っていない。
青梅駅以西は2016年3月のダイヤ改正で平日昼間の運転本数が削減された。それによる観光・生活への悪影響を懸念する青梅市などが便数維持を求める要望書を提出したが、2018年3月のダイヤ改正でも減便された。2018年3月の減便計画について、JR東日本八王子支社は「極めて低調な利用状況に合わせて決めた」とコメントしている。
一方で、JR東日本八王子支社は2018年7月から、沿線の豊かな自然を象徴するイラスト(ムササビ、鳥、昆虫等)を描いたラッピング列車を運行するなど、観光・行楽需要の開拓を含めた利用促進に努めている。また、その取り組みの一環として青梅駅 - 奥多摩駅間に2018年9月14日、「東京アドベンチャーライン」の愛称が付けられた。
◆:貨物取扱駅(臨時貨物列車発着あり)
停車駅 各駅停車・快速・青梅特快...全ての駅に停車 特急「おうめ」...●印の駅は停車、|印の駅は通過 ホリデー快速...●印の駅は停車、|印の駅は通過 詳細は「ホリデー快速おくたま」参照(青梅駅 - 奥多摩駅間は多客期のみに別の列車として運転)
線路...∥:複線区間、◇・|:単線区間(◇は列車交換可能)、∨:これより下は単線、∧:終点(交換可能)
全駅が東京都内に所在
2022年度の時点で、JR東日本自社による乗車人員集計の除外対象となる駅(完全な無人駅)は、宮ノ平駅 - 白丸駅間の各駅である。また、立川駅、拝島駅、青梅駅が直営駅で、その他は業務委託駅である。