武豊線
1 kmは高架橋、半田市街地通過区間3.6 kmはトンネル)のルートで、概算事業費は3,400 - 4,400億円、2015年の輸送人員は16.2万人/を想定していた。このルートが実現した場合、三河安城駅で東海道新幹線と接続することで新空港から豊橋・浜松に1時間以内、熱海・横浜に2時間以外でアクセスできるようになると試算されていた。
愛知環状鉄道線を岡崎駅より延伸し、西三河南部を経由して武豊線に接続し、2.のルートと接続する
愛知環状鉄道線新豊田駅を起点に、新上挙母駅付近で名鉄三河線に入り、知立駅・刈谷駅経由で武豊線に接続し、2.のルートと接続する
以上8ルートは「開港までに整備するもの」と「開港後、空港利用差の増加などに合わせて整備するもの」など段階的な整備が必要とされた。武豊線ルート・西名古屋港線ルートの2案はいずれもJR東海が運営主体となることが想定されていたが、JR東海は採算性から「(武豊線の延伸については)地元自治体(愛知県・半田市・常滑市など)が線路を建設してくれれば、その運用は担当するが、当社単独事業での乗り入れは難しい」と難色を示していた。
結局、2005年2月17日の開港までには常滑線の延伸のみが名鉄空港線として実現した一方、武豊線の空港延伸は実現せず、開港から10年以上が過ぎた2019年現在も具体的な動きはない。
なお東海道線直通列車は非電化時代には2両編成での運転もあったが、電化後は全て4両編成となっている。3両編成での運転は定期列車ではキハ75形が運用されていた1999年以降は気動車・電車とも存在しない。
区間快速は、1990年3月10日のダイヤ改正時に名古屋駅 - 大府駅間は金山駅のみに停車する快速として設定された。これは元々気動車列車ゆえに加減速性能が電車に比べて悪かったため、東海道線内の電車の運行の妨げにならないように停車駅を減らして加減速回数を少なくするための措置であったが、使用車両に比較的高性能なタイプ(キハ75形)が投入された1999年12月4日の改正で東海道線に大府駅通過の特別快速が設定された代替として、金山駅・大府駅に加えて共和駅にも停車する区間快速となった。
電化後の2015年3月14日ダイヤ改正で、朝・深夜には名古屋駅を越えて岐阜方面への直通列車が設定された(平日は大垣発1本、岐阜行き3本。土休日は岐阜行き2本)。土曜日・休日には朝に1本のみ、武豊線内を通過運転をする名古屋行きの快速があったが(武豊線内・武豊駅 - 大府駅間の途中停車駅は、東成岩駅・半田駅・亀崎駅・東浦駅)、2018年3月17日のダイヤ改正で区間快速に変更され、武豊線内で通過運転を行う列車はなくなった。
運転士・車掌ともに名古屋運輸区・大垣運輸区の担当である。
武豊駅は無人駅ではあるが、車両の夜間滞泊が行われている。
衣浦臨海鉄道半田線が接続する東成岩駅と大府駅を結ぶ高速貨物列車2往復、大府駅から碧南線が接続する東浦駅へ向かう専用貨物列車1本、東浦駅から大府駅へ向かう専用貨物列車2本、合計5本の貨物列車が運行されている。武豊線内に貨物を取り扱う駅は存在しない。
列車は日本貨物鉄道(JR貨物)の第二種鉄道事業区間を走行するが、同社保有の機関車ではなく衣浦臨海鉄道のKE65形ディーゼル機関車が列車を牽引する。直通先の衣浦臨海鉄道が非電化のため、電気機関車は乗り入れない。東成岩駅構内にある機回し線もディーゼル機関車しか使わないため非電化のままである。大府駅付近は前述のとおり非電化の地上線を経由しており、この地上線は実質衣浦臨海鉄道専用の線路となっている。
牽引される貨車は、高速貨物列車がコキ104形および106形など、専用貨物列車がホキ1000形である。このほかにも、半田線の半田埠頭駅へ送られる廃車予定の貨車が連結されることがある。
半田線・碧南線共にタブレット閉塞を導入しており、境界駅の東成岩駅と東浦駅では衣浦臨海鉄道の係員がホームに立ち、通過中の貨物列車と通票の受け渡しを行っている。東成岩駅ではスイッチバック(折り返し)を行う関係で、上り下り共に駅南側にある機回し線に進入する列車に対して受け渡しを行う。
1886年(明治19年)3月1日:武豊駅 - 熱田駅間が開業。開業当初の通称は半田線。現在の武豊線にあたる区間に緒川駅(初代)・亀崎駅・半田駅・武豊駅が開業。
1887年(明治20年)9月10日:緒川駅(初代)廃止。大府駅開業。
1888年(明治21年)9月1日:東海道線浜松駅 - 大府駅間が開業し、大府駅 - 武豊駅間(12M53C18L≒20.38 km)は東海道線の支線となる。
1889年(明治22年)7月6日:営業距離の単位をマイル・チェーンのみに簡略化(12M53C18L→12M54C)。
1891年(明治23年) 10月28日:濃尾地震が発生し不通となる。 12月21日:復旧作業が進み、全線で定時運行を再開。
1892年(明治25年)6月1日:武豊駅が現在地に移転、53C(≒1.07 km)短縮。
1895年(明治28年)4月1日:線路名称制定により東海道線の一部となる。
1896年(明治29年)4月:東海道線の旅客急増のため大府-武豊間全列車を客車代用貨車で運行(終了時期不明)
1900年(明治33年)3月1日:緒川駅(2代目)開業。
1902年(明治35年)11月12日:営業距離の単位をマイルのみに簡略化(12M1C→12.0M)。
1909年(明治42年)10月12日:国有鉄道線路名称制定。大府駅 - 武豊駅間を武豊線とする。
1915年(大正4年)2月15日:武豊駅構内扱いで武豊港まで路線を延伸。
1916年(大正5年)4月1日:武豊駅 - 武豊港間廃止。
武豊線は大府駅が起点であるが、歴史的経緯により終点の武豊発が下り、武豊行きが上りとして扱われている。ただし、JR東海の公式サイトの各駅時刻表のリンクでは、武豊発の方が「上り」と記載されている。
2018年3月改正時点のダイヤでは日中時間帯は大府駅 - 武豊駅間のみの線内折り返し運行で、1時間に2本(約30分間隔だが、土休日午前中に40 - 50分間隔となる時間帯もある)運行されている。朝と夕方以降には東海道線 名古屋駅直通列車が設定されており、15 - 30分間隔で運行されている。名古屋駅直通列車の大半が区間快速(武豊線内は各駅停車。列車によっては武豊線内はワンマン運転となり、列車番号の末尾も「F」から「G」となる)で運行されているが、東海道線内も各駅に停車する普通列車も毎日夜間の名古屋・岐阜方面行きと平日朝の武豊行きが2本ずつ設定されている。全線通しの所要時間は各駅停車で30 - 40分程度。
日中や始発・最終列車など列車番号の末尾が「G」の列車は線内折り返しでワンマン運転を実施している。国鉄時代から分割民営化当初は水曜日と木曜日に運休する列車があったが、現在は解消されている。
武豊線を走る313系電車は、ワンマン運転の場合2両編成、区間快速でも4両編成である。また、311系電車による運用もあるが、ワンマンではない4両編成で運用する。