利用者は全線を通すと山陽新幹線より多いが、利用者数の差が激しい路線である。理由は東北自動車道と同様に需要の多くが関東部分で構成されており、更に多くの利用客は東京駅～仙台駅・盛岡駅間が大半を占めるため。盛岡駅〜新青森駅間だと九州新幹線とほぼ同じ利用客数か、それ以下の利用客しかいない。ダイヤにもそれが現れており、「なすの」>「やまびこ」>「はやぶさ」の順に大宮駅から近い場所で各駅停車になる傾向が強い。

年表

開業当初・国鉄時代

1982年（昭和57年）6月23日：大宮駅〜盛岡駅間が開通。途中には鷲宮信号場・小山駅・宇都宮駅・那須塩原駅・新白河駅・郡山駅・福島駅・白石蔵王駅・仙台駅・古川駅・一ノ関駅・北上駅を設置。200系が営業運転開始。最高速度は210km/h。この時点では暫定開業で、速達タイプの「やまびこ」が5往復（うち1往復は臨時列車）、各駅停車タイプの「あおば」が6往復の合計10往復（臨時列車も含めると11往復）だった。また、東北本線の上野駅〜大宮駅間に特急「新幹線リレー号」が運転され、大宮駅で東北新幹線と接続していた。
1982年（昭和57年）11月15日：建設工事が遅れていた上越新幹線の大宮駅〜新潟駅間が開通。これに合わせて東北新幹線が本開業を迎え、定期列車が10往復から30往復に大幅増発された。
1985年（昭和60年）3月14日：上野駅〜大宮駅間が開通し、東北本線の「新幹線リレー号」が廃止。上越新幹線の列車も同区間への直通運転を開始。同区間の最高速度は110km/h。大宮駅〜盛岡駅間の最高速度が240km/hに向上。水沢江刺駅・新花巻駅が新設される。

国鉄分割民営化・ミニ新幹線の開通など

1987年（昭和62年）4月1日：日本国有鉄道（国鉄）の分割民営化に伴い、東北新幹線（上野駅〜盛岡駅間）の営業主体および東北新幹線（盛岡市〜青森市間）の建設主体を東日本旅客鉄道（JR東日本）が承継。新幹線鉄道保有機構が発足し、東北新幹線（東京駅〜盛岡駅間）の鉄道施設をJR東日本に貸し付け。
1990年（平成2年）3月10日：くりこま高原駅が新設される。
1991年（平成3年）6月20日：東京駅〜上野駅間が開通。上越新幹線の列車も同区間への直通運転を開始。同区間の最高速度は110km/h。
1991年（平成3年）10月1日：JR東日本が新幹線鉄道保有機構から東北新幹線（東京駅〜盛岡駅間）の鉄道施設を有償で譲渡される。新幹線鉄道保有機構が解散し、鉄道整備基金が発足。
1992年（平成4年）7月1日：山形新幹線の福島駅〜山形駅間が開通。同線との直通列車として「つばさ」が登場し、同列車用の400系が営業運転開始。200系（K編成）「やまびこ」と400系「つばさ」が東京駅〜福島駅間で併結運転開始。
1994年（平成6年）7月15日：E1系が営業運転開始。同形式を使用する「やまびこ」・「あおば」を「Maxやまびこ」・「Maxあおば」に改称。
1995年（平成7年）12月1日：開業以来最大規模となる抜本的なダイヤ改正を実施。「やまびこ」・「Maxやまびこ」の停車パターンが、大幅に見直され、仙台・盛岡駅方面への速達化および混雑度の分散化が図られる。「あおば」・「Maxあおば」のうち、東京～那須塩原駅間の区間列車を「なすの」・「Maxなすの」として分離。400系「つばさ」は6両編成から7両編成に増結。
1997年（平成9年）3月22日：秋田新幹線の盛岡駅〜秋田駅間が開通。同線との直通列車として「こまち」が登場し、同列車用のE3系0番台が営業運転開始。同時に、E3系0番台の併結相手としてE2系0番台（J編成）が営業運転開始。200系（K編成）・E2系0番台（J編成）「やまびこ」とE3系0番台「こまち」が東京駅〜仙台駅・盛岡駅間で併結運転開始。E2系0番（J編成）・E3系0番台を使用する一部列車で、宇都宮駅〜盛岡駅間の最高速度が275km/hに向上。「つばさ」を併結する「やまびこ」に使用される200系（K編成）が8両編成から10両編成に増結。東京駅〜福島駅間では新幹線としては初となる17両編成の列車が登場。
1997年（平成9年）10月1日：北陸新幹線の高崎駅〜長野駅間（通称・長野新幹線）が開通し、E2系0番台（N編成）を使用する同線の列車「あさま」が東北新幹線の東京駅〜大宮駅間への直通運転を開始。列車愛称が行先別に整理され、「あおば」・「Maxあおば」が「やまびこ」・「Maxやまびこ」に統合されて廃止。東京駅に20・21番ホームが新設され、東北新幹線・上越新幹線の上野駅発着の定期列車が消滅。鉄道整備基金が船舶整備公団と統合し、運輸施設整備事業団が発足。
1997年（平成9年）12月20日：E4系が「Maxやまびこ」・「Maxなすの」として営業運転開始。
1998年（平成10年）12月8日：E1系による「Maxやまびこ」が東京駅〜仙台駅間の1往復に削減され、仙台駅〜盛岡駅間での定期運用終了。E3系0番台「こまち」が5両編成から6両編成に増結。
1999年（平成11年）4月29日：東京駅〜福島駅間でE4系「Maxやまびこ」と400系「つばさ」の併結運転を開始。
1999年（平成11年）12月4日：山形新幹線の山形駅〜新庄駅間が開通。「つばさ」用としてE3系1000番台が営業運転開始。E1系が東北新幹線の列車における定期運用終了。秋田新幹線「こまち」と併結する「やまびこ」から200系（K編成）が撤退し、E2系0番台（J編成）に統一。これに伴い、E3系0番台「こまち」と併結するE2系0番台（J編成）「やまびこ」は宇都宮駅〜盛岡駅間の最高速度が275km/hに向上。
2001年（平成13年）9月21日：山形新幹線「つばさ」と併結する列車から200系（K編成）「やまびこ」が撤退し、E4系「Maxやまびこ」に統一。これに伴い、新幹線における17両編成の列車が一旦消滅。

盛岡駅〜八戸駅間開通・「はやて」登場

2002年（平成14年）12月1日：東北新幹線の盛岡駅〜八戸駅間が開通。途中にはいわて沼宮内駅・二戸駅を設置。同区間の最高速度は260km/h。同区間でデジタルATC（DS-ATC）を使用開始。東京駅〜八戸駅間の速達列車として「はやて」が登場し、同列車用のE2系1000番台（J編成）が営業運転開始。秋田新幹線「こまち」と併結する列車が「やまびこ」から「はやて」に変更される。E2系0番台（J編成）は1000番台に合わせて8両編成から10両編成に増結。以後、E2系（J編成）は0番台と1000番台の共通運用となる。
2003年（平成15年）10月1日：運輸施設整備事業団と日本鉄道建設公団が統合し、鉄道建設・運輸施設整備支援機構が発足。
2005年（平成17年）11月27日：古川駅〜盛岡新幹線運転所間の保安装置がアナログATC（ATC-2型）からデジタルATC（DS-ATC）へ切り替え。
2005年（平成18年）12月10日：E4系を使用した「Maxやまびこ」が仙台駅〜盛岡駅間の定期運用終了。
2006年（平成18年）10月15日：新白河駅〜古川駅間の保安装置がアナログATC（ATC-2型）からデジタルATC（DS-ATC）へ切り替え。
2007年（平成19年）7月22日：東京駅〜新白河駅間の保安装置がアナログATC（ATC-2型）からデジタルATC（DS-ATC）へ切り替え。これに伴い、この時点で開業済みの全区間（東京駅〜八戸駅間）でATCがDS-ATCに統一。
2008年（平成20年）12月20日：山形新幹線「つばさ」用のE3系2000番台が営業運転開始。
2010年（平成22年）4月18日：400系の営業運転終了。山形新幹線「つばさ」用の車両がE3系1000番台・2000番台に統一。以降、E3系1000番台・2000番台はL編成として共通運用。

全線開通・「はやぶさ」登場

2010年（平成22年）12月4日：八戸駅〜新青森駅間が開通。途中には七戸十和田駅を設置。同区間の最高速度は260km/h。これに伴い、東北新幹線は全線開業となる。
2011年（平成23年）3月5日：E5系が営業運転開始。東京駅〜新青森駅間における最速達列車として「はやぶさ」が登場し、同列車は大宮駅〜宇都宮駅間を最高速度275km/h、宇都宮駅〜盛岡駅間を最高速度300km/hで運転開始。
2011年（平成23年）11月19日：E5系を使用した「はやて」・「やまびこ」が運転開始。E3系0番台による秋田新幹線「こまち」との併結運転の一部が、E2系（J編成）からE5系に置き換え。同時に、前日限りで200系が東北新幹線の列車における定期運用終了。
2012年（平成24年）3月17日：E5系を使用した「なすの」が運転開始。E3系1000番台・2000番台による山形新幹線「つばさ」との併結運転の一部が、E4系による「Maxやまびこ」からE2系（J編成）による「やまびこ」に置き換えられ、17両編成の列車が復活。E2系（J編成）「やまびこ」とE3系1000番台・2000番台「つばさ」の一部列車で宇都宮駅〜福島駅間の最高速度が275km/hに向上。E4系による「Maxやまびこ」・「Maxなすの」から16両編成による運用が消滅。
2012年（平成24年）9月29日：前日限りで、E4系が東北新幹線の列車における定期運用終了。「Maxやまびこ」・「Maxなすの」が廃止され、「やまびこ」・「なすの」に統一。同時に、「つばさ」を併結する車両・列車がE2系（J編成）による「やまびこ」に統一。E2系（J編成）「やまびこ」とE3系1000番台・2000番台「つばさ」の全列車で宇都宮駅〜福島駅間の最高速度が275km/hに向上。
2013年（平成25年）3月16日：秋田新幹線用のE6系が「スーパーこまち」として営業運転開始。「はやぶさ」のうち、単独運転を行う列車の一部で宇都宮駅〜盛岡駅間の最高速度が320km/hに向上。E2系（J編成）・E5系「はやて」とE3系0番台「こまち」の併結列車の一部がE5系「はやぶさ」とE6系「スーパーこまち」の併結列車に置き換えられ、該当する列車は大宮駅〜宇都宮駅間の最高速度が275km/h、宇都宮駅〜盛岡駅間の最高速度が300km/hに向上。同時に、E2系（J編成）が盛岡駅〜新青森駅間の定期運用終了。
2014年（平成26年）3月15日：秋田新幹線の列車がE6系に統一され、「スーパーこまち」が「こまち」に統一されて廃止。E3系0番台が秋田新幹線の運用から撤退。東京駅〜新青森駅間のE2系（J編成）・E5系「はやて」を全てE5系「はやぶさ」に統一。「はやぶさ」は「こまち」を併結する列車を含む全列車で大宮駅〜宇都宮駅間の最高速度が275km/h、宇都宮駅〜盛岡駅間の最高速度が320km/hにそれぞれ向上。北陸新幹線「あさま」にE7系導入され、東北新幹線の東京駅〜大宮駅間への直通運転を開始。

他社路線との直通運転開始

2015年（平成27年）3月14日：北陸新幹線の長野駅〜上越妙高駅〜金沢駅間が開通。このうち、上越妙高駅〜金沢駅間は西日本旅客鉄道（JR西日本）の管轄路線であり、E7系・W7系を使用する同線の列車「かがやき」・「はくたか」・「あさま」が東北新幹線の東京駅〜大宮駅間への直通運転を開始。
2016年（平成28年）3月26日：北海道新幹線の新青森駅〜新函館北斗駅間が開通。同線は北海道旅客鉄道（JR北海道）の管轄路線であり、「はやぶさ」・「はやて」が同線との相互直通運転開始。同時に、H5系が営業運転開始。
2016年（平成28年）8月：いわて沼宮内駅〜二戸駅（手前）間で携帯電話不通区間が解消。なお、2016年（平成28年）6月17日付のJR東日本による発表では、東京駅〜いわて沼宮内駅間は既に携帯電話不通区間が解消済みとされている。
2017年（平成29年）3月31日：北陸新幹線の全列車がE7系・W7系に統一され、E2系（N編成）が運用終了（東京駅〜大宮駅間への乗り入れも消滅）。
2017年（平成29年）7月28日：二戸駅（手前）〜二戸駅間で携帯電話不通区間が解消。
2018年（平成30年）3月31日：二戸駅〜八戸駅（手前）間で携帯電話不通区間が解消。
2018年（平成30年）12月27日：八戸駅（手前）〜八戸駅間で携帯電話不通区間が解消。
2019年（平成31年）3月16日：東京駅発着の「はやて」の定期列車が「はやぶさ」に統合されて消滅。E2系（J編成）が仙台駅〜盛岡駅間の定期運用終了。
2019年（平成31年）3月31日：八戸駅〜七戸十和田駅（手前）間で携帯電話不通区間が解消。
2019年（平成31年）4月1日：JR東日本の新幹線統括本部が発足し、駅施設と在来線を兼務する乗務員区所を除いて同本部の管轄となる。
2020年（令和2年）3月31日：七戸十和田駅（手前）〜新青森駅（手前）間で携帯電話不通区間が解消。
2020年（令和2年）7月23日：七戸十和田駅〜新青森駅間の新青森駅付近のトンネル内で携帯電話不通区間が解消。これに伴い、東北新幹線は全線で携帯電話が利用可能となる。
2020年（令和2年）10月：E3系0番台が定期運用終了。
2021年（令和3年）3月13日：上野駅〜大宮駅間のうち、埼玉県内の区間で全列車の最高速度が130km/hに向上。
2024年（令和6年）春：山形新幹線用のE8系が営業運転開始（予定）。

運行形態

基本的には仙台・盛岡への速達列車「はやぶさ」、盛岡以北の区間運転列車を「はやて」、主に仙台以北盛岡以南を目的地とする列車を「やまびこ」、郡山駅以南を目的地とする列車を「なすの」とそれぞれ愛称を行き先別に区分している。「やまびこ」は名前的に山形に行きそうだが行かない。

東北新幹線開業当初は速達列車を「やまびこ」、各駅停車列車を「あおば」としていた。

その後、列車名を運行区間別とするように再編され、1995年からは「あおば」のうち東京駅～那須塩原駅間の近距離列車が「なすの」として分離され、1997年からは「あおば」が「やまびこ」に吸収される形で廃止となり、以降は郡山以南の列車が「なすの」、仙台・盛岡まで運行される列車が「やまびこ」に統一された。

2002年の八戸延伸からは殆どの速達列車が専用の列車名に変更されるようになり、新たに「はやて」の愛称が与えられた。新青森延伸の2011年からは後継として「はやぶさ」が誕生し、「はやて」を置き換えていった(なお、盛岡以北は最高速度260km/hに制限されるため、盛岡以北のみ運行の列車は引き続き「はやて」となっている)。

2016年に北海道新幹線が開業した際は、「はやぶさ」「はやて」の列車名を引き続き使用している。

山形新幹線「つばさ」と秋田新幹線「こまち」の両列車が在来線からの直通で乗り入れている。いずれも東北新幹線内では「つばさ」は「やまびこ」と、「こまち」は「はやぶさ」との併結運転が基本となっている。

大宮駅以南は上越新幹線・北陸新幹線の列車も東北新幹線の線路に乗り入れている。

駅

凡例　●:停車　○:一部通過　レ:通過　空欄:運行なし

停車駅/種別	はやぶさ	はやて	やまびこ	なすの
東京駅	●		●	●
上野駅	○		○	●
大宮駅	●		●	●
小山駅	レ		○	●
宇都宮駅	レ		○	●
那須塩原駅	レ		○	●
新白河駅	レ		○	●
郡山駅	レ		○	●
福島駅	レ		●
白石蔵王駅	レ		○
仙台駅	●		●
古川駅	○		●
くりこま高原駅	○		●
一ノ関駅	○		●
水沢江刺駅	○		●
北上駅	○		●
新花巻駅	○		●
盛岡駅	●	●	●
いわて沼宮内駅	○	レ
二戸駅	○	●
八戸駅	○	●
七戸十和田駅	○	●
新青森駅	●	●
北海道新幹線新函館北斗駅まで直通

使用車両

E2系1000番台（J編成）

E3系1000番台（L編成）

E3系2000番台（L編成）

E5系（U編成）

H5系（H編成）

E6系（Z編成）

E8系（G編成）：運用開始前

過去の車両・列車

200系（E・F・G・H・K編成）

400系（L編成）

E1系（M編成）

E2系0番台（J編成）

E3系0番台・700番台（R編成）

E4系（P編成）

車内放送

開業当初から日本語放送は元フジテレビアナウンサーの堺正幸氏が担当している。英語放送はイギリス出身のジーン・ウィルソン氏が担当。

種別

はやぶさ　はやて　やまびこ　なすの

つばさ　こまち

過去の種別

あおば　スーパーこまち　 Max（Maxやまびこ・Maxあおば・Maxなすの）

資料動画

車内チャイム(通常)

車内チャイム(ふるさとチャイム)

今後の計画

2020年3月3日、山形新幹線に新型車両E8系を投入する計画を発表。E5系と連結し、最高速度300km/hで運転。また、福島駅に山形新幹線から東北新幹線上りホームへ接続するアプローチ線を新設。
2020年10月6日、東北新幹線盛岡駅〜新青森駅間の最高速度を260km/hから320km/hに引き上げる計画を発表。工事期間は2020年10月から概ね7年程度であり、最大5分程度の時間短縮が見込まれる。