東北新幹線
この高架橋は新幹線高架橋の上に在来線高架橋を継ぎ足す重層化を考慮した設計がされており、在来線部分は2015年3月に上野東京ラインとして開業している。秋葉原駅付近からは25 ‰勾配で下り、地下の上野駅へ向かうが、この区間にある第1上野トンネルでは1990年(平成2年)1月にシールド工法区間(御徒町トンネル)の建設中に陥没事故が発生している。
1991年(平成3年)6月20日に東京駅 - 上野駅間が開業した。東北・上越新幹線で東京駅へ向かう場合の在来線乗り換えが不要となったことにより、所要時間は東京駅 - 仙台駅間では22分短縮されて1時間44分、東京駅 - 盛岡駅間では20分短縮されて2時間36分、東京駅 - 青森駅間では21分短縮されて4時間54分となった。同年10月に新幹線鉄道保有機構は『新幹線鉄道に係る鉄道施設の譲渡等に関する法律』に基づき、東北新幹線(東京駅 - 盛岡駅)および上越新幹線の鉄道施設を3兆1,069億円でJR東日本に譲渡し、解散した。
E8系:7両編成。新在直通対応。山形新幹線直通用の新型車両として2024年春より営業運転開始予定。
1992年(平成4年)3月から田沢湖線 盛岡駅 - 大曲駅間においても同様の改軌工事が、奥羽本線 大曲駅 - 秋田駅間においては狭軌と標準軌の単線並列化工事が行われ、1997年(平成9年)3月22日に秋田新幹線「こまち」として東北新幹線との直通運転を開始した。新たな新在直通対応車両として、在来線区間で最高速度130 km/h、新幹線区間において最高速度275 km/hで走行可能なE3系が導入された。秋田新幹線開業に合わせて「こまち」と併結する「やまびこ」のうち最速タイプの3往復は、宇都宮駅 - 盛岡駅間で最高速度275 km/hで走行可能なE2系が導入された。これにより、所要時間は東京駅 - 盛岡駅間で2時間36分から15分短縮されて最速2時間21分、東京駅 - 秋田駅間で開業前の4時間37分から48分短縮されて3時間49分となった。同年10月1日に北陸新幹線 高崎駅 - 長野駅間が開業した。北陸新幹線の乗り入れ開始に伴い、東京駅のJR東日本の新幹線ホームが1面2線から2面4線に増設された。東北新幹線では列車名の見直しが行われ、東京駅 - 那須塩原駅間「なすの」、東京駅 - 仙台・盛岡駅間「やまびこ」に統一され、「あおば」は列車愛称としては廃止された。
整備新幹線として建設された盛岡駅 - 新青森駅間(178.4 km)の最高速度は1973年(昭和48年)の整備計画に基づき260 km/hとされているが、1993年以降に計画された整備新幹線では、施工後の変更が困難な緩和曲線と縦曲線について対応可能な範囲で360 km/hで走行可能な線形を確保している。2020年10月にJR東日本はこの区間の最高速度を現行の260 km/hから320 km/hに引き上げる計画を発表した。主な地上設備工事の内容としては吸音板の設置が計1.3 km、防音壁のかさ上げが計3.6 km、トンネル緩衝工の延伸が計24箇所で、工事期間は2020年10月から概ね7年程度である。これにより、最大5分程度の時間短縮が見込まれる。
JR東日本グループ経営ビジョン「変革2027」における「次世代新幹線開発」の試験車両としてE956形(ALFA-X)による試験走行を2019年5月から2022年3月にかけて行う。試験走行は仙台 - 新青森間を中心に行われ、車両性能試験のため数回程度最高速度400 km/hの走行試験を行うほか、最高速度360 km/hまでの走行が予定されている。
久喜駅:東北新幹線久喜駅設置促進期成同盟会では在来線駅への併設により大宮駅 - 小山駅間に久喜駅(埼玉県久喜市)設置を目指している。
古河新駅:茨城県庁と古河市では、宇都宮線に請願駅として南古河駅(仮称)を新設し、その東方1.3kmほどを通る東北新幹線への新駅誘致を目指している。
須賀川新駅:福島県須賀川市では1999年の市勢要覧において、21世紀の都市開発として福島空港の機能強化とともに挙げられていた。
岩手県 - 青森県間の公共交通機関分担率の変化は、盛岡以北開業前の2000年度は、JR(定期外)60%、乗合バス40%であったが、盛岡駅 - 八戸駅間開業後の2003年度は、JR(定期外)65%、乗合バス35%と鉄道が微増し、全線開業後の2012年度は、JR(定期外)85%、乗合バス15%と鉄道がさらに増加した。