仙山線
1929年(昭和4年)9月29日:【開業】仙山東線仙台 - 愛子間(15.2 km) 【駅新設】北仙台、陸前落合、愛子
1931年(昭和6年)8月30日:【延伸開業】愛子 - 作並間(13.5 km) 【駅新設】陸前白沢、熊ケ根、作並
1933年(昭和8年)10月17日:【開業】仙山西線羽前千歳 - 山寺間(9.3 km) 【駅新設】楯山、山寺
1934年(昭和9年)10月1日:仙台 - 作並間でガソリンカー運転開始。
1936年(昭和11年)1月28日:山寺 - 面白山高原間の森岡鉄橋付近で発生した雪崩の影響で橋桁崩落、猛吹雪のため見通しが悪く仙山線建設作業員(62名)を乗せた列車が川に転落した(死亡1名。負傷者多数)。
1937年(昭和12年)11月10日:【延伸開業・全通】作並 - 山寺間(20.0 km) 【線名改称】仙山線仙台 - 羽前千歳間 【電化】作並 - 山寺間(直流1,500 V) 【駅新設】奥新川 【信号場新設】面白山 【仮乗降場新設】八ツ森、面白山
1950年(昭和25年)7月1日:【駅新設】高瀬
1954年(昭和29年)10月:旧・仙山東線側で日本初の交流電化試験が開始。
1955年(昭和30年)8月10日:【電化】陸前落合 - 熊ケ根間(交流20 kV・50 Hz。交流電化試験線)
1957年(昭和32年)9月5日:【電化】仙台 - 陸前落合間、熊ケ根 - 作並間(交流20 kV・50 Hz。仙台 - 作並間交流電化の営業運転開始)ED45(ED91)型機関車運転開始。
1958年(昭和33年):交直流電車の試験運転開始。
1960年(昭和35年)11月1日:【電化】山寺 - 羽前千歳( - 山形)間(直流1,500 V)。
便宜上、羽前千歳駅側の全列車が直通する奥羽本線山形駅までの区間を掲載。
仙:特定都区市内制度における「仙台市内」の駅
停車駅 普通列車は基本的に信号場を除くすべての駅に停車するが、一部の列車は▽の駅を通過する。 快速...●:停車駅、│:通過駅
線路 ... ◇・∨・∧:列車交換可、|:列車交換不可 仙山線内は全線単線であり、奥羽本線区間でも当路線・左沢線用の狭軌は単線。
↑ 常磐線の正式な終点は東北本線岩沼駅だが、運転系統上は仙台駅へ乗り入れる。
↑ 左沢線の正式な起点は北山形駅だが、運転系統上は山形駅へ乗り入れる。
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、葛岡駅・陸前白沢駅・熊ケ根駅・作並駅・奥新川駅・面白山高原駅・高瀬駅・楯山駅・羽前千歳駅である。なお、これらには2022年度途中で無人となった駅も含まれる。
仙台駅 - 東照宮駅間の東北本線との分岐部分で仙台市宮城野区、奥新川駅 - 面白山信号場間で仙台市太白区を通るが、同区内に駅はない。
2007年4月23日から運用開始。当初は0番台だけで運用されていた。0番台の運行開始当初は一部列車(12往復)に投入されていたが、2012年3月17日より一部列車を除いて同車での運行とされている。2016年12月9日より1000番台(4両固定編成)も運用を開始した。4 - 6両編成で運転される。
E721系0番台
E721系1000番台
奥羽山脈を横断するこの区間には全長5361メートルの仙山トンネルが建設された。これは当時としては、上越線の清水トンネル、東海道本線の丹那トンネルに次ぐ、日本国内で3番目の長さを持つトンネルだった。トンネルの宮城県側は、湧水が多かったが、地質が良好で1日平均約10.5メートル掘り進み、予定されていた工期を短縮するほど順調な工事が行われた。一方の山形県側は、湧水は少なかったが、粉塵が多くて苦労があったという。この長大トンネルにおける蒸気機関車の煤煙被害を避ける目的で、作並 - 山寺間は開業当初から直流電化され、電気機関車がここを走行した。作並駅には仙台機関区作並機関支区が置かれ、ED19形電気機関車4両が配置された。また、全線の開通に伴って路線名が仙山線となった。
全線開通日の一番列車では、上りが山形駅発5時25分、仙台駅着7時57分で所要2時間32分、下りが仙台駅発5時58分、山形駅着8時34分で所要2時間36分であった。 当時は、奥羽山脈を横断する直流電化区間の山寺駅 - 作並駅間では電気機関車で運行し、電化されなかった山形駅 - 山寺駅間、および、作並駅 - 仙台駅間では蒸気機関車で運行したため、山寺駅および作並駅では機関車の付け替えが行われた。
開通当時の仙山線では、行商の女性達が主要な乗客となった。彼女達は山形から野菜等を運んで仙台で売り、太平洋側の港で揚がる海産物を山形に運び、両都市の物流を担った。
全線を通して運転される都市間連絡列車として、快速列車が下り3本、上り4本運転されている。停車駅は#駅一覧を参照。
かつては停車駅のパターンが複数設定されており、平成時代はダイヤ改正の度に停車駅パターンを変更することが多く、かつては6種類もの停車駅パターンで運用していた時期があった。後に一部の快速列車が停車する駅であった陸前白沢駅、熊ケ根駅、奥新川駅、面白山高原駅が全て通過駅となった。
2023年3月18日のダイヤ改正により、パターンが統一され、利用客が多い仙台駅 - 愛子駅間は全列車が停車することになった。また、一部が普通列車化されたことにより、快速列車の運行本数が14本から7本に半減するとともに、高瀬駅と楯山駅の2駅に止まる系統が消滅した。
準急「あさひ」「月山」運転開始。
1963年(昭和38年)10月1日:準急「仙山」運転開始。
1966年(昭和41年)3月5日:準急「あさひ」「月山」を急行化。
1968年(昭和43年) 9月8日:【電化方式変更】作並 - 羽前千歳( - 山形)間(→交流20 kV・50 Hz)ED78型機関車運転開始。 10月1日:準急「仙山」を急行化。
1971年(昭和46年):熊ケ根駅無人化、交換設備撤去。
1972年(昭和47年)9月1日:特定都区市内制度が仙台市に導入され、市内にある仙山線上の仙台および北仙台にも適用。以後、市内新設駅および市域拡大の際に適用拡大。
1973年(昭和48年)9月8日:愛子駅 - 陸前白沢駅間の無人踏切で、動けなくなったトラックに急行「仙山1号」が衝突。列車は5両が脱線、うち1両が転覆。
1978年(昭和53年)10月2日:ダイヤ改正、愛子に急行「仙山」停車。
1982年(昭和57年) 5月1日:急行「あさひ」を「べにばな」に改称。 11月15日:急行「仙山」を快速化。急行「月山」仙山線内廃止。
1984年(昭和59年)2月1日:【駅新設】北山、国見。愛子に3番線ホーム設置。仙台 - 愛子間に「区間列車」を設定。
1985年(昭和60年)3月14日:CTC化。陸前落合、陸前白沢、作並、奥新川、楯山無人化(陸前落合、作並、奥新川はそれ以前から出改札中止)、急行「べにばな」仙山線内廃止、全列車電車化。
1987年(昭和62年) 3月1日:北山、陸前落合に仙台駅から職員派遣(事実上の有人化)。 3月20日:国見に仙台駅から職員派遣。 3月21日:【臨時乗降場新設】西仙台ハイランド 4月1日:【承継】東日本旅客鉄道(第一種)・日本貨物鉄道(第二種) 【臨時乗降場→臨時駅】西仙台ハイランド 【仮乗降場→臨時駅】八ツ森、面白山 6月20日:国見の列車交換設備供用開始。