一方、列車線については戦後に単線化される。単線化後も線路2本のまま東京駅から北上するが、片方は縦列駐車前提の長い留置線であり、列車を運行できるのはもう片方だけであった。2015年の上野東京ラインより格段に数は少ないながらも東海道～東北（高崎・上越）・常磐線直通が運行されており、高崎発富士行きの115系普通列車や常磐線列車の新橋駅や有楽町駅の発着があった（当時は今と違い、東京駅で列車番号が変わっていた）。

だが1973年に、東京-上野の東北本線列車線が廃線となる。理由は東北新幹線の東京乗り入れルートに敷地を拠出する必要が出て、東京駅の神田寄りの機回し線分を残し狭軌線路を剥がさねばならなくなったためである。

その後、秋葉原あたりまで新幹線のルートの直上を通す形で復活・さらに複線化したのが、現在上野東京ラインが通っている線路である。

列車線の旅客列車運行は終戦後に各地で運行された連合軍専用列車の1つ「ヤンキーリミテッド」号が最初の事例となる。これを境に「はつかり」等々の上野発着優等列車が次々と東京へ延長されていった。

路線の特徴

前述のように大宮～横浜間はほとんどの区間が京浜東北線に並行しており（赤羽～上野間は別線）、この区間では各駅停車の京浜東北線（田端～品川間は山手線）に対し上野東京ラインは実質「快速」の役割を果たしている。

2021年3月13日ダイヤ改正で、日中の上野東京ラインは湘南新宿ラインの追い抜きがなくなったので、湘南新宿ライン快速通過駅については武蔵小杉駅で湘南新宿ラインに乗車するメリットがなくなった。2022年3月12日ダイヤ改正では宇都宮線黒磯発着が廃止された。

南北直通路線という意味では、山手線の新宿経由で運行する湘南新宿ラインと役割が共通する部分があるが、あちらは横須賀線への直通列車もある。

湘南新宿ライン同様、宇都宮線・高崎線～東海道線系統の全列車にグリーン車2両（4・5号車）を連結しているほか、常磐線方面ではE531系使用列車に限りグリーン車がついている。

従来の上野駅/東京駅での折り返し運転が標準だった時代との混乱防止および湘南新宿ラインとの誤乗防止のため、北行きは東京駅に到着するまで「東京経由」、南行きは上野駅に到着するまで「上野経由」と行先表示に追加される（同様に湘南新宿ラインは両方向とも新宿まで「新宿経由」）。また、車内の案内では北行きは上野駅到着まで「〇〇線直通」・上野駅到着後は「○○線」と直通表記を省略、南行きは東京駅到着まで「東海道線直通」・東京駅到着後は「東海道線」と案内を改めておりきめ細かい（車外では直通のまま）。

運行形態

前述のように宇都宮線・高崎線～東海道線の系統はグリーン車を連結した湘南色帯の電車が使用され、日中は宇都宮線～東海道線と高崎線～東海道線が3本/hずつ運行されている。高崎線・東海道線系統の特急列車は一部の臨時列車を除いて運行されない。

常磐快速線方面は時間帯によって異なり、日中はグリーン車連結した青帯の中距離電車として品川～土浦間の普通が3本/h運行するが、それ以外の時間帯は普通が2本/hとなる代わりにグリーン車のない緑帯の快速電車も品川-取手/成田間に2本/h運行を行う。特急は「ひたち」の全列車と、「ときわ」のほとんどの列車が品川発着で運行される。