中央・総武緩行線
その関係で、平日早朝の八千代緑が丘発三鷹行きや朝夕を中心とした時間帯に多数運行される三鷹駅 - 東葉勝田台駅間を直通する電車は、全て東京地下鉄の車両である。ただし、土休日は平日と比較すると三鷹駅・東葉勝田台駅発着電車は激減する。なお、昼間の東葉高速線直通の東西線快速電車は全て中野駅で折り返しているが、朝・夕のみ三鷹駅・ 東葉勝田台駅発着の東西線快速電車(平日のみ東葉勝田台発三鷹行きの通勤快速もあり)が運行される。2017年3月4日のダイヤ改正で、三鷹発八千代緑が丘行きの各駅停車が設定されたが、2021年3月13日現在三鷹発東葉高速線直通電車は全て東葉勝田台行きである。
また、東西線内快速運転の電車(通勤快速、2014年3月15日の改正で廃止された東葉快速も含む)はJR線の高円寺 - 三鷹駅間・西船橋駅 - 津田沼駅間でも「快速」または「通勤快速」の案内となるが、中央急行線や総武快速線の線路への乗り入れではなく、中央・総武緩行線の線路にて運転され、それぞれの乗り入れ区間では各駅に停車する。なお、上記の東西線経由三鷹駅・津田沼駅発着電車の一部は「快速」または「通勤快速」(「通勤快速」は津田沼発のみ)で運行される。
この節の本系統における区間表記は、「東行」の区間表記順を用いる。
1923年(大正12年)の関東大震災以前の総武本線は、両国橋駅(現在の両国駅)を起点としており、東京を起点とする鉄道省(国有鉄道)の路線の中では、隅田川東岸にターミナル駅を有している路線だった。しかし、震災以前より多くの利用客が隅田川を渡る東京市電を利用しており、その混雑が顕著だったことから、震災復興の際に同駅より都心へ結ぶ路線を建設し、同時に中央本線に乗り入れる計画を立て、両国駅 - 御茶ノ水駅間の高架路線と御茶ノ水駅 - 中野駅間の線増(複々線化)建設を行い、前者は1932年(昭和7年)7月1日に、後者は1933年(昭和8年)9月15日に完成した。1943年(昭和18年)には中央本線神田駅 - 御茶ノ水駅間にあった万世橋駅を廃止した。
1933年に中央本線と総武本線の相互乗り入れが開始された当初、急行電車(現在の快速)は平日朝夕ラッシュ時のみの運行でこの時間帯に限り御茶ノ水駅 - 中野駅間で総武本線直通の各駅停車が運転された。ただし、戦前は中央本線中野駅発着の列車は総武本線側で両国駅折り返し、総武本線の両国駅以遠発着の列車は中央本線側で飯田橋駅折り返しが基本だった。また、急行電車が運行される時間帯も東京駅 - 中野駅間の各駅停車が運転されていた。平日朝夕ラッシュ時以外は日中閑散時も含め総武本線の列車は御茶ノ水駅折り返しで東京発の列車がすべて中央緩行線を走っていた。戦後、東京都隅田川以東や千葉県からの旅客が激増したことから両国駅折り返しがなくなり、平日ダイヤは1959年(昭和34年)11月9日から、休日ダイヤは1966年(昭和41年)4月28日から、現在と同様に急行電車(現在の快速)の運転時間が早朝・深夜を除く終日に拡大され、総武本線発着の列車の大半が中野駅まで直通するようになった。
御茶ノ水駅経由で中央・総武線として運行されている車両。現行車両では主にラインカラーである黄色(■)の帯を巻いている。いずれも三鷹車両センター所属。
E231系0番台:2000年 - 運用当初は5号車に6扉車を連結し、500番台置換え前の2014年時点では47編成が在籍していた。2017年4月20日の東急田園都市線の6扉車運用終了後は国内最後の運用線区となっていたが、2020年3月14日にB80・B82編成が運用離脱し運用を終了した。以降は全車4扉車に組み換えられMT比が6M4Tに変更されたB10・B11・B12・B14・B26・B27編成の6本が在籍している。
E231系500番台:2014年 - 52編成が在籍する。すべて山手線から転属した編成であり、現在の当線の主力車両である。
E231系0番台
E231系500番台