陸羽東線
キハ40形 - 小牛田駅 - 古川駅間運転の一部列車のみ。2015年5月29日まで使用。2015年まで使用された車両は本来は石巻線用のもの。
キハ48形546・549・550 - リゾートみのり専用の改造車。詳しくは、「リゾートみのり」を参照。
キハ58系 - 急行「千秋」「もがみ」などに使用。
C58形
キハ48形 リゾートみのり(2020年3月28日 岩出山駅)
凡例...●:停車駅、-:通過駅

※:下り1本は石巻線女川駅始発(女川駅 - 小牛田駅間は普通列車、各駅停車)
「湯けむり」は2003年ごろまで新庄駅 - 小牛田駅間を1往復運行し、2004年春からは土日に新庄駅 - 仙台駅間の列車も増発(下りは新庄駅 - 鳴子温泉駅間普通列車扱い)していた。しかし同年秋のダイヤ改正で新庄駅 - 小牛田駅間の1往復が普通列車化し、2005年春の改正では土日の快速が鳴子温泉駅 - 仙台駅間に短縮になり、さらに同年冬の改正で土日のみ運行の普通列車になり、快速運転は臨時を除いて消滅した。なおこれには普通列車ながら「湯けむり」という愛称が付いている。
太平洋側の仙台駅を起点とし、本路線と陸羽西線を介して日本海側を結ぶ「もがみ」、本路線と奥羽本線を経由して仙台駅と秋田駅間を結ぶ「たざわ」(後に「千秋」〔せんしゅう〕)が運行されていた。この両列車はともに多層建て列車としては珍しく新庄駅で分割・併合を行うが、この相手が奥羽本線米沢駅発着の同名列車同士を併結した。そのため、下り方では、異なる列車名同士の列車が新庄駅で列車名称同士を組み合わせ、上り方では仙台駅行・米沢駅行編成をそれぞれ新庄駅で分割し、今度は行き先毎に列車名が異なる列車を併結するという、あたかもパズルのような運用を行っていた。
1959年(昭和34年)12月1日:臨時準急列車として、仙台駅・奥羽本線米沢駅 - 秋田駅間に「たざわ」、仙台駅・米沢駅 - 酒田駅間に「もがみ」が運行を開始。運行区間は「たざわ」が仙台駅・米沢駅 - 秋田駅間、「もがみ」は仙台駅・米沢駅 - 陸羽西線経由酒田駅間。
1960年(昭和35年)3月:「たざわ」・「もがみ」定期列車化。
1962年(昭和37年) 2月20日:「たざわ」仙台駅 - 秋田駅間を単独で運行する列車を1往復増発。従来「もがみ」を連結していた「たざわ」は下り1号・上り2号を名乗る。 4月21日:仙台駅 - 鳴子駅間を週末運行の臨時準急列車として「鳴子いでゆ」(なるご - )を新設。
1965年(昭和40年)10月1日:「たざわ」の列車名を奥羽本線経由上野駅 - 秋田駅間運行の昼行急行列車の名称とし、仙台駅 - 秋田駅間を陸羽東線経由で運行する準急列車には「千秋」(せんしゅう)の名前が与えられる。