JR神戸線
明石駅 - 西明石駅間に新駅を設置する計画があるが、計画は停滞している。また、大久保駅 - 魚住駅間にも新駅を設置する計画がある。かつては、加古川駅 - 東加古川駅間に新駅を設置する構想があった。
2022年現在、普通・快速・新快速はすべて電車で、特急は電車と気動車で運転されている。
201系 網干総合車両所(明石支所)の車両を使用し、普通(京阪神緩行線)として運用していたが、321系を投入して普通の最高速度120km/hに統一するため、森ノ宮電車区(現:吹田総合車両所森ノ宮支所)および奈良電車区(現:吹田総合車両所奈良支所)に転属して2007年3月17日限りで運用が廃止された。 通常は7両編成であるが、阪神・淡路大震災からの復旧で西明石駅 - 灘駅間の運転が再開されたことに伴い、輸送力増強のために8両編成と12両編成に組み替えられ、快速として運転されたこともある。
205系(0番台) 網干総合車両所(明石支所)の車両を使用し、普通(京阪神緩行線)として運用していたが、321系を投入して普通の最高速度を120km/hに統一するため、2006年2月7日限りで運用を終了し、日根野電車区(現:吹田総合車両所日根野支所)に転属して阪和線運用に就いた。その後、宮原総合車両所(現:網干総合車両所宮原支所)に転属した車両を使って2011年3月14日から運用に復帰したが、阪和線転属前のように終日運用されず、また尼崎駅より先の神戸・西明石方面には乗り入れず、京都駅・高槻駅 - 尼崎駅間のみで平日朝ラッシュ時限定で運用された。2013年3月16日のダイヤ改正で再び運用が廃止され、日根野支所に再び転属となった。
103系
113系
117系
201系
205系0番台
特に人口の多い京阪神地区は、「私鉄王国」と称され、特に東海道本線・山陽本線(JR神戸線)は、阪急電鉄・阪神電気鉄道・山陽電鉄などの私鉄と並走しており、その利便性の高さから鉄道利用が定着している。JRは主に大阪 - 明石間、三ノ宮 - 姫路間など私鉄に比べ長距離の輸送を担う。
灘駅 - 元町駅間は、阪急神戸本線・阪急神戸高速線と並走している。
須磨駅 - 明石駅間は、山陽電鉄本線と並走している。この区間にある明石駅・垂水駅・塩屋駅は、それぞれ山陽電鉄の山陽明石駅・山陽垂水駅・山陽塩屋駅と隣接している。明石駅のホームは、山陽明石駅のホームと隣同士にある。
大阪駅 - 兵庫駅間は方向別複々線(外側線・内側線)、新長田駅 - 西明石駅間は線路別複々線(列車線・電車線)で、兵庫駅 - 新長田駅間で電車線(内側線)と列車線下り線(外側線)が立体交差する。新長田駅 - 朝霧駅間の列車線にはホームがない。西明石駅 - 姫路駅間は複線となっている。基本的に、複々線区間では内側線および電車線は快速・普通、外側線および列車線は朝夕の快速・新快速・特急・貨物列車などが走行している。
須磨駅 - 朝霧駅間は海岸近くを走っており、大阪湾・明石海峡大橋・淡路島を車窓から望むことができる。
また、朝ラッシュ時は神戸駅で快速と接続しているが、階段を降りて別ホームでの連絡となる。
車両は全列車が223系1000番台・2000番台および225系0番台・100番台で運転されている。大阪駅 - 姫路駅間では土曜・休日は2011年3月12日のダイヤ改正から、平日は夕方の大阪始発を除いて2017年3月4日のダイヤ改正から12両に統一されている。播州赤穂駅・上郡駅発着の12両編成の列車については網干駅や姫路駅で車両の連結・切り離し作業を行う。
JR発足以降、JR京都線も含めてオール転換クロスシートの221系および223系1000番台・2000番台が充当され、車両性能の限界に近い、特に姫路駅 - 加古川駅間では特急より速い表定速度100km/hを超える高速運転を行っていた。JR福知山線脱線事故に関連したアーバンネットワークの全体的なスピードダウンとなった2006年3月18日のダイヤ改正で、大阪駅 - 三ノ宮駅間の所要時間は改正前19 - 22分が改正後20 - 24分にやや延びた。それでも乗車券のみで利用できる列車としては速い部類に入る。ただし平日朝・夕のラッシュ時はやや変則的な運転体系になるために複線区間である西明石駅 - 姫路駅間での運転時分が若干伸びる。
JR西日本の看板列車である新快速が高速・高頻度運転を行っており、大阪駅 - 三ノ宮駅間30.6kmを最速21分、大阪駅 - 明石駅間52.5kmを最速37分、大阪駅 - 姫路駅間87.9kmを最速60分で結び、特急列車並みの表定速度で走行する。大阪駅 - 三ノ宮駅間では大阪梅田駅 - 神戸三宮駅間を結ぶ阪急神戸本線および阪神本線、三ノ宮駅 - 姫路駅間では神戸三宮駅 - 山陽姫路駅間を結ぶ阪急神戸高速線・阪神神戸高速線・山陽電鉄本線の私鉄各線が並行しており、人口の多い阪神間(梅田 - 三宮間)では「私鉄王国」と呼ばれる関西の中でも特に熾烈な乗客獲得競争が繰り広げられている。運賃は私鉄の方が安いが、所要時間ではJRのほうが短い。ただし、大阪駅 - 元町駅間は回数券や乗車券の区間分割購入により、並行する私鉄利用と差のない運賃での利用が可能となる。東海道本線区間にあたる大阪駅 - 神戸駅間の利用者数は1日平均385,099人で、同区間では阪急神戸本線の176,056人、阪神本線の137,670人と比べて圧倒的に多く、JR西日本管内では最多、JRグループ全体でも総武本線(東京駅・御茶ノ水駅 - 千葉駅)に次いで第7位である。
沿線には生田神社や西宮神社などの大きな社寺があるため、大晦日深夜から元旦にかけて、JR神戸線では大阪駅 - 西明石駅間(運転区間はJR京都線京都駅 - 西明石駅間)において普通のみ約30分間隔で(1時間2本程度)の終夜運転が実施されている。なお、西明石駅 - 姫路駅間においても普通のみで2001年度から(当時は約60分間隔で1時間1本程度)2017年度まで(同年度は約90分間隔)終夜運転を実施していた。かつては奈良線に乗り入れ、奈良駅 - (奈良線経由) - 京都駅 - 大阪駅 - 西明石駅間で運転されていたこともあったが、奈良線への乗り入れは1999年度限りで終了している。
このほか、1999年度の終夜運転時には快速も運転されており、快速「初日の出須磨浦号」が大阪発西明石行きで、快速「初日の出書写山号」が大阪発姫路行きで運転され、それぞれ須磨海岸および書写山からの初日の出を拝むために運転されていたが、のち全区間とも普通に変更され、2004年度までに運転を終了している。