常磐線
品川駅から日暮里駅までは山手線など多くの路線と併走し、日暮里から東北本線と分かれる。北千住駅付近まで、日光街道沿いの下町の中を走り、荒川を渡る手前で地下鉄千代田線と合流し、綾瀬駅まで並行する。綾瀬駅から取手駅までは複々線区間となり、千代田線から直通する各駅停車は小田急線直通急行・準急も含め、綾瀬駅を出ると亀有駅、金町駅の順に各駅に停車するが、品川・上野方面からの快速電車は松戸駅、柏駅、我孫子駅といった市の中心駅しか停まらない。
江戸川を渡り、東京都葛飾区から千葉県松戸市へ入ると、矢切の田園地帯にて緩行線と快速線が交差した後、線路は地上へ降りる。松戸駅では新京成電鉄新京成線、柏駅では東武鉄道野田線と連絡し、我孫子駅では成田線が分岐する。天王台駅を過ぎると千葉県と茨城県の境である利根川の利根川橋梁を渡って茨城県に入り、電車特定区間の終点である取手駅へ至る。
優等列車は2023年現在、特急「ひたち」が品川駅 - いわき駅・仙台駅間で、「ときわ」が品川駅・上野駅 - 土浦駅・勝田駅・高萩駅間で運行されている。
東日本大震災発生までは全線で特急列車が運行されていた。当初の計画では、2012年のダイヤ改正よりいわき駅 - 仙台駅間に新愛称の特急が設定され、いわき駅で同一ホーム乗り換え可能とされる予定であったが、東日本大震災・福島第一原子力発電所事故の影響で同区間の一部が不通となったことから、新愛称特急の運行計画は白紙となった。上野駅 - 仙台駅間で設定されていた特急「スーパーひたち」は大震災発生以後いわき駅 - 仙台駅間が運休となり、2012年3月17日のダイヤ改正で正式にいわき駅 - 仙台駅間での特急の設定がなくなり上野駅 - いわき駅間での運行となった。2015年3月14日のダイヤ改正で列車名が「スーパーひたち」・「フレッシュひたち」からそれぞれ「ひたち」・「ときわ」に変更され、また同時に上野東京ラインの開業により運転区間が品川駅まで延長された。
2020年3月14日の全線復旧後は、特急「ひたち」のうち3往復が品川駅・上野駅 - 仙台駅間直通で運行されており、車両はE657系を使用している。
このほか、かつては東北本線のバイパスとして、上野駅 - 青森駅間の特急「みちのく」、寝台特急「ゆうづる」などが運転されていた。
発車メロディは基本的に東洋メディアリンクス製の「Water Crown」と「Gota del Vient」が使用されているが、首都圏本部(旧東京支社)管内ではユニペックス製・テイチク製・サウンドファクトリー製の発車メロディも使用している。
2021年9月時点で、独自のメロディを採用している駅は以下の通り。詳細・過去の使用曲は各駅の項目を参照。
1958年(昭和33年)に東京以北で初の特急列車として登場した「はつかり」も、当初は常磐線経由で設定された。東北本線の電化・複線化が進むにつれ、まず「はつかり」など昼行の長距離優等列車から東北本線経由への整理統合が進んだが、東北本線が通勤時間帯に混雑することや奥羽本線への直通夜行列車が多数設定されたことから仙台駅以北に直通する夜行寝台列車はなお常磐線経由が主力であった。
石炭輸送を目的とした急行貨物「ひたち号」が1964年(昭和39年)に開始されたが、その後まもなくエネルギー革命によって炭鉱が次々と閉山に追い込まれ、1973年(昭和48年)を最後に常磐線の当初の目的であった石炭輸送の役目は終わりを迎えた。その一方で旅客面では、1969年(昭和44年)10月に上野 - 平間に特急「ひたち」が運転を開始し、1985年(昭和60年)につくば市で開催された科学万博期間中は全国から訪れる観客の輸送を引き受けた。このとき臨時駅(万博中央駅)も設置され、“赤電”のニックネームで親しまれた列車も、白地に青線へ化粧直しされた。1987年(昭和62年)4月、当時20兆円の累積赤字を抱えていた国鉄が分割・民営化され、常磐線はJR東日本の一路線として再スタートを切った。しかし、東北新幹線の開業以後は常磐線から仙台駅以北に直通する旅客列車が大幅に減り、東北本線のバイパスとしての存在意義が失われたことから、長らく設定されていた日暮里 - 岩沼間の経路特定区間制度は2001年(平成13年)に廃止された。
寝台特急「ゆうづる」に使われていた。
2005年12月16日から2007年3月16日まで、仙台都市圏の仙台駅 → 原ノ町駅間で、金曜日に臨時列車として運行されていたホームライナー。 停車駅:仙台駅 → 岩沼駅 → 亘理駅 → 山下駅 → 相馬駅 → 原ノ町駅。 乗車整理券発行駅は仙台駅・岩沼駅のみ。651系電車4両編成(グリーン車なし)が使用された。
常磐線の(戸籍上の)起点である日暮里駅には宇都宮線・高崎線列車用のホームが存在しないこと、常磐線用のホームも手狭であること、東北・山形・秋田・上越・北陸新幹線との乗り換えの便を図ることなどの理由により、折り返して乗車できる特例が存在する(ただし、折り返す区間内で途中下車はできない)。
定期券で乗車する場合、三河島 - 日暮里 - 西日暮里または三河島 - 日暮里 - 尾久の区間を含む定期券で、日暮里 - 上野の在来線に乗車できる(ただし、グリーン定期券にはこの特例が適用されない)。
定期券以外で乗車する場合、三河島以遠 - 日暮里 - 西日暮里以遠(※新幹線や宇都宮線などで赤羽以遠へ乗車する場合も、経路特定区間の特例により西日暮里経由とみなされるので適用される)の乗車券で、日暮里 - 東京に乗車できる。また、三河島以遠 - 日暮里 - 尾久の乗車券で、日暮里 - 上野に乗車できる。