湖西線
1 kmの新線計画があり、貨物列車を新設の長尾操車場に運転する計画であった。そのため、山科駅は西側も分岐できる構造になっている。しかし新線は国鉄の財政事情悪化により計画が中止された。
関西対北陸の優等列車の湖西線経由への移行は開業翌年の1975年3月10日となったが、これは湖西線の開業当時山陽新幹線がまだ岡山駅までしか開業しておらず、翌年の博多駅への延伸開業まで移行を見合わせていたためである。最終的に急行「きたぐに」と「ゆのくに」を残し、あとはすべて湖西線経由へ移行した。
2006年には交直セクションがあった永原駅 - 近江塩津駅間の直流化工事が完成して、湖西線内は全て直流電化となり、湖西線を経由する新快速の運転区間が敦賀駅まで延長された(詳細は「直流化工事」の節を参照)。
2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震(東日本大震災)の影響で、直流電動機に使用している電動機用黒鉛ブラシを製作しているメーカーが被災して製造の見通しが立たず、使用できない車両が発生する恐れが生じた。このため、同年4月11日から日中の一部の京都駅 - 堅田駅・近江舞子駅間の普通の運転を取り止める予定と発表されたが、部品調達の目処が立ったのでこの措置は行われず、4月11日以降も通常のダイヤで運転されることになった。
新快速は日中1時間に1本運行されている。山科駅 - 近江舞子駅間では途中、大津京駅・比叡山坂本駅・堅田駅に停車し、近江舞子駅 - 近江塩津駅間は各駅に停車する。朝の上りと夕方下りの各1本は湖西線内は快速に種別変更され、快速はおごと温泉駅にも停車する。土曜・休日夕方の京都発敦賀行き快速1本を除き、大阪方面に直通する。普通との緩急接続は、日中以外の近江今津行き・敦賀行きは大津京駅で行い、京都・大阪方面は堅田駅で行われている。なお、日中は普通電車の本数削減に伴い近江今津方面行きの大津京駅での緩急接続はなく、京都・大阪方面に至っても堅田駅始発となっておりホームが変更されている。
1974年の湖西線開業時から日中に1時間に1本の新快速が大阪方面から堅田駅まで直通するようになった。1986年11月1日には近江舞子駅まで延長される一方で湖西線内は各駅停車となるが、1996年3月16日には近江今津駅まで延長されるとともに湖西線内での通過運転が復活した。1996年3月16日から朝に上り快速が、1997年3月8日から夕方に下り快速がそれぞれ1本設定された。
敦賀駅の4番のりばの有効長が4両分であるため、近江今津駅で列車の連結・切り離しが行われている(朝時間帯の敦賀行き1本は京都駅で切り離し)。そのため近江今津駅の2番のりばには誘導信号機が設置された。その作業のため停車時間が長めに取られており、その間に特急「サンダーバード」の通過待ちを行う列車がある。2011年3月11日までは京都駅で切り離しを行う列車で湖西線は新快速、琵琶湖線では普通列車になる運用があった。
山科駅が路線としての起点であるが、全列車が東海道本線(琵琶湖線)経由で京都駅に乗り入れており、さらに特急・新快速を中心に大阪方面へ直通している。終点の近江塩津駅からも一部の列車が敦賀駅へ乗り入れている。事故・各種トラブルでダイヤが乱れた場合や大雪・強風などで乱れが見込まれる場合は、近江今津駅で運転を打ち切り、JR神戸線・JR京都線方面 - 近江今津駅間と近江今津駅 - 敦賀駅間とで別の編成で運転することがある。
国鉄時代、途中で交流電化に変わる永原駅 - 近江塩津駅間の普通列車は1日3本ときわめて少ない本数であった。2006年10月に直流区間が敦賀駅まで延長されたことに伴い、永原駅からさらに近江塩津・敦賀方面に直通する列車の本数が増加した。
なお、琵琶湖線直通の列車は厳密には湖西線区間を一切走行しないが、山科駅 - 京都駅間では走行区間が重複する。また、琵琶湖線と分岐する山科駅から近江塩津駅へは琵琶湖線を経由する一部の新快速も乗り入れている。
すべて電車で運転されており、所属や車両性能の違いもあって運用上は221系と223系6000番台・2500番台のグループ、223系1000番台・2000番台と225系0番台・100番台のグループ、521系のみのグループに大別される。 221系 221系登場と同時に網干電車区(現在の網干総合車両所)に配置された車両により新快速での湖西線運用が始まり、新快速が223系に置き換えられてからは普通列車の一部にも使われていたが、2006年10月改正で撤退し、しばらく221系の湖西線運用はなかった。その後2008年3月15日より新たに吹田総合車両所京都支所所属車両により湖西線での運用が復活した。また2015年3月14日より117系6両編成での運用を置き換えるかたちで網干総合車両所所属の6両編成の運用が復活した。2023年3月現在では、主に京都支所所属の4両・6両編成または4両編成を2編成つないだ8両編成が、山科側から永原駅までの区間で運用されている。2020年頃までは網干総合車両所所属の8両貫通編成も同年時点で平日朝に上り普通1本に限って運用されていたが、同所の225系100番代3次車増備により置き換えられた。
運行区間内のすべての駅に停車する。平日朝に大阪行き(高槻駅からは茨木駅・新大阪駅のみ停車の快速)が1本設定されているが、その他は京都駅発着である。
日中は1時間に京都駅を起点として堅田行きが1本、近江舞子行きが30分間隔で2本設定されており、山科駅 - 堅田駅間は1時間に計3本ある。朝晩には永原駅・近江塩津駅・敦賀駅を発着する列車があるほか、近江今津発米原行き、長浜発近江今津行きが各1本設定されている。
京都駅では3番のりばに発着する列車が多い。6 - 7番のりばに到着し、吹田総合車両所京都支所または引き上げ線へ回送される列車もある。
過去には4扉ロングシートの通勤形電車(207系・321系)で運行されるJR京都線・JR神戸線・JR宝塚線の各駅停車(京阪神緩行線)の直通運転もあり、2015年3月14日ダイヤ改正時点では朝と平日夜に西明石駅発着、土曜・休日夜に新三田駅発の列車が設定されていた。これらの列車には5号車に女性専用車の設定があった。2016年3月26日のダイヤ改正でこれらの列車は京都駅発着の普通となり、JR神戸線・JR京都線の各駅停車の直通運転はなくなっている。
関西と北陸の短絡という目的から高速走行を狙う路線とされたため、ほとんどの区間がトンネルや高架線となっており、湖西線内に踏切は設置されていない。三井寺や白鬚神社などでは境内をトンネルが通過することによる土地取得などを巡って補償騒動が起きたほか、地元からの反対、江若鉄道(前述)との関係で路線決定に難航した部分もあるが、最小曲率半径は原則1,400 mとし(大津京駅付近の半径800 m、近江高島駅付近の半径1,000 mなど例外が数か所ある)、勾配も19 ‰以下と在来線としては高規格で建設されている。
大津京・おごと温泉・堅田・近江舞子・安曇川・近江今津・永原の7駅に待避設備があり、このうち堅田・近江舞子・近江今津・永原には折り返し設備が設けられている。このほか、和邇駅にも渡り線があり、本線上での折返しが可能となっている。
高架構造でスラブ軌道を多用したため、保線も大型機械を導入した。その大型機械を使う保守間合いを確保するため、深夜に通過する貨物列車を単線で使用するための設備(単線並列)を設けた。おごと温泉駅を除く待避可能駅とマキノ駅にはシーサスを、上下線との両方向で使用できる信号設備(複線利用では閉塞区間があるが、単線で使用時は1閉塞扱い)を配置した。