しなの鉄道線
おおむね1時間に1 - 2本程度運行されている。しなの鉄道線全区間を運行する軽井沢駅 - 篠ノ井駅 - 長野駅間の列車のほか、軽井沢駅 - 小諸駅間、軽井沢駅・小諸駅 - 戸倉駅間および小諸駅・上田駅・戸倉駅 - 長野駅間の区間運転列車がある。篠ノ井駅で折り返す列車の設定はなく、戸倉駅以北へ向かう列車はすべて長野駅までそのまま直通し、しなの鉄道の乗務員がJR線内も通しで乗務する。かつては小諸駅 - 長野駅間の一部列車にJR東日本所属の115系電車が使用されたが、この場合もしなの鉄道の乗務員がJR線からしなの鉄道線を通しで乗務していた。
北しなの線との間では、信越本線を経由し長野駅で列車番号を変えて妙高高原駅との間を直通する列車があり、軽井沢駅・小諸駅発がそれぞれ下り1本、上田駅行きが上り1本設定されている。このほか、小諸駅発豊野駅行きの列車が1本設定されている。
2010年(平成22年)8月から沿線自治体などからなる「しなの鉄道活性化協議会」により、沿線自治体や国からの補助金を活用して、軽井沢駅 - 小諸駅間において列車増発(上下計13本、のち14本)の実証運行が開始され、軽井沢駅での長野新幹線との接続改善等が図られた。2011年(平成23年)度末で国からの補助金は終了したものの、当該区間の輸送密度の向上に一定程度効果があったとして、2012年(平成24年)度以降も沿線自治体の補助金で増発の実証運行は継続されている。