0番台は東北新幹線向けJ編成と北陸新幹線向けN編成があり、J編成盛岡方先頭車には秋田新幹線「こまち」（E3系0番台）と連結するための自動分割併合装置が備えられていた。それ以外はどちらも同じ装備・塗装であったので、編成番号でしか見分けることが出来なかった。また、J編成が北陸新幹線で運用されることもあった。

1995年（平成7年）に試作車S6・S7編成を投入。試験を行った後にS6編成はN1編成、S7編成はJ1編成へ量産化。1997年（平成9年）3月22日に東北新幹線「やまびこ」、同年10月1日に北陸新幹線「あさま」で運用開始。1998年（平成10年）12月8日には上越新幹線「あさひ」にも投入。

その後も2002年（平成14年）12月1日の東北新幹線盛岡 - 八戸間延伸に伴い、誕生した新種別「はやて」にもマイナーチェンジした増備車（1000番台）が製造・投入されるなど増備が続けられた。この際、J1編成除くJ編成は10両化され、帯がつつじピンクへ変更された。その後、2010年（平成22年）まで増備が続けられ、JR東日本のフル規格新幹線車両の標準型として200系後継車両の地位を確立した。

2011年（平成23年）に東北新幹線に後継車両となる「E5系」を投入。同年3月5日に「はやぶさ」として営業運転開始。

同年11月19日からは「はやぶさ」以外の列車にも順次投入。段階的にE2系をE5系に置換開始。

2013年1月26日からE2系を上越新幹線に転用し、200系を置き換え。

2014年（平成26年）3月15日から北陸新幹線、2019年（平成31年）3月16日から上越新幹線に後継車両となるE7系を投入。

北陸新幹線は2017年4月1日、上越新幹線は2023年3月18日に全て置換えられた。

2019年(平成31年)3月16日からは、東北新幹線での定期運用を仙台以南へ縮小。

2024年（令和6年）3月16日時点ではJR東日本新幹線車両では最古参であり、完全に東北新幹線専用車両となっている。運用も一部「やまびこ」および間合い運用「なすの」のみとなっている。

同日ダイヤ改正で「つばさ」（E3系L編成）との連結をE5系へ統一したが、同月6日に郡山駅に停車予定であったた「つばさ121号」が速度低下出来ずオーバーランした事象が発生したことにより、「つばさ」（121・148・159・160号）の滑走対策（当形式は回送扱いの伴車）でE3系との連結をダイヤ改正後も継続している。

派生形式として中国高速鉄道 CRH2型電車が存在する。2006年、完成車両3編成と部品57編成分を輸出、設計製作などの生産技術知的財産権を中国へ譲渡。以後中国メーカーでの生産工程、検査工程の技術指導を完了した。

各路線毎の運用

JR東日本の新幹線路線3路線で運行。以下、路線毎に年表で記載。

東北新幹線

1997年（平成9年）3月22日：秋田新幹線「こまち」（E3系0番台）と連結する速達「やまびこ」としてデビュー。
1999年（平成11年）12月4日：秋田新幹線「こまち」に連結する「やまびこ」をE2系に統一。全列車最高速度275km/h運転となる。
2002年（平成14年）12月1日：東北新幹線盛岡 - 八戸間延伸。最速達列車「はやて」として登場。秋田新幹線「こまち」と連結する「やまびこ」を「はやて」へ変更し、全車指定席で運行開始。J編成（J1編成を除く0番台と1000番台J51編成）を8両編成から10両編成に増結。J1編成をN21編成に改番し、北陸新幹線（長野新幹線）に転属。以降、1000番台を18本（J52 - 69編成）投入し、順次200系を置換。
2005年（平成17年）12月10日：仙台以北を運行する盛岡駅発着の「やまびこ」全列車を担当(一部はE3系R編成を増結車両として併結)し、最高速度を275km/hに向上。
2010年（平成22年）12月4日：東北新幹線八戸 - 新青森間延伸。最終増備車として1000番台6本（J70 - 75編成）投入。
2012年（平成24年）3月17日：「Maxやまびこ」（E4系）を置換する形で、山形新幹線「つばさ」（E3系1000・2000番台）と併結する「やまびこ」が運行開始。最高速度275km/hへ引上げ。
2012年9月29日：山形新幹線「つばさ」と併結する「やまびこ」を全列車E2系へ統一（前日にE4系の東北新幹線における定期運用終了）。
2013年3月15日：東京 - 新青森間での「はやて」の定期運用終了。同時に盛岡以北での定期運用を終了。
2013年9月28日：同日改正で秋田新幹線「こまち」(E3系R編成)との連結運用を終了。
2019年3月15日：東京 - 盛岡間「はやて」「やまびこ」の定期運用終了、大半の単独「やまびこ」「なすの」もE5系へ置換。以降は仙台以南での「つばさ」と連結する「やまびこ」が中心となる。
2022年3月12日：定期「やまびこ」（東京 - 仙台間）9往復、「なすの」2往復へ減便。単独「なすの」から撤退。
2022年12月3日：団体臨時列車「東北新幹線盛岡 - 八戸延伸20周年記念はやて号」を東京 - 八戸間で運転。
2023年3月18日：定期「やまびこ」（東京 - 仙台間）11往復、「なすの」2往復he

変更。一部「やまびこ」3往復を6月30日までE2系で運行。

2024年3月16日：同日改正で山形新幹線「つばさ」（E3系L編成）との連結運行終了。定期「やまびこ」3往復、「なすの」5.5往復へ変更。

北陸新幹線（長野新幹線）

1997年10月1日：長野新幹線「あさま」でデビュー。
2015年3月14日：北陸新幹線金沢延伸。なお、当形式の長野以西での営業運用は実施されなかった。
2016年1月3日：「あさま」1往復（614号・615号）を最後にE2系N編成定期運用終了。以降は臨時列車として運行継続。
2017年3月25日：団体臨時列車「ありがとうE2系あさま」を長野→上野間で運行。
2017年3月31日：臨時「あさま」を最後に北陸新幹線でのE2系（N編成）営業運行終了。

上越新幹線

1998年12月8日：上越新幹線「あさひ」でデビュー。速達列車2往復に投入。当初はJ編成8両編成、またはN編成8両編成で運用された。当時は「あさま型車両」と案内された。また、「ニューあさひ」の愛称で呼称されたこともあった。
2002年12月1日：J編成10両編成へ変更。一部「とき」「たにがわ」へ投入。
2004年3月12日：上越新幹線でのE2系運用を一時的に撤退。
2013年（平成25年）1月26日：上越新幹線でのE2系運用再開。一の「とき」・「たにがわ」を200系からE2系へ変更。
2013年（平成25年）3月16日：速達「とき」をE4系「Maxとき」からE2系「とき」へ変更、再度大宮駅停車へ変更。前日に200系の定期運用を終了。
2017年9 - 11月に、大宮 - 新潟間でE2系とE7系による「速度向上試験」を実施。後の上越新幹線275km/h化に貢献した。
2022年3月12日：「とき」6往復、「たにがわ」2往復へ減便。
2023年3月17日：上越新幹線での営業運行終了。

番台別区分

0番台

「あさま」用として作られたN編成、「こまち」との併結を目的として作られたJ編成（E2'系）がある。北陸新幹線軽井沢駅付近に存在する電源周波数の境を通過するため、50/60Hzの周波数切替装置を搭載、また碓氷峠に存在する30‰急勾配の走行に対応するため、下りは普段は210キロ、万が一半分の車両が回生失効に陥った際には非常ブレーキにより110キロ運行が出来る抑速ブレーキが装備されている。また、700系新幹線の18.6kWを超える20.6kWの出力のモーターを搭載し、時速170kmで登っていくことが可能である。

0番台は全編成が8両固定編成で製造されたが、10両化に伴う増結中間車との主変圧器メーカーを揃える目的で一部編成間で中間車交換が行われた。

東北新幹線八戸延伸に合わせてJ編成に中間車2両を追加、10両固定編成への組成変更が行われている。その後は1000番台と共に東北新幹線のみの運用となる。

老朽化のため2013年より廃車または上越新幹線への転用が開始される。

N編成は2017年3月31日をもって営業運行終了。引退を目前とした2016年、最後まで残った編成の1つであるN13編成へ「E2 Asama」ステッカーが貼られた。

J編成はE3系L編成「つばさ」との併結が不可能なことから東北新幹線運用はE5系へ置換えられ、2016年3月26日以降は原則的に東北新幹線を撤退し、上越新幹線主体で運用されるようになる。その後、2019年3月16日限りで全営業運行終了。これをもって0番台は区分消滅となった。

N1編成・N21編成

どちらも先行試作車であり、量産車と比べてノーズや連結器カバーの形状が量産車と異なるため、顔つきが少し鋭い。

N21編成はかつてJ1編成であったが、2002年に長野へ転属となった際に編成番号を変更している。なおN21編成はEast-iの検測車を挟み込んで代走へ入ることが出来た。

1000番台

八戸、新青森延伸時に増備用として作られ、全てJ編成である（10両固定編成）。J51 - 75編成。

こちらは東北新幹線向けに作られたこともあり、50Hz専用とされ急勾配区間用の抑速ブレーキも省略されている。2017年春頃より、上越新幹線高速化試験の一環としてJ59編成へパンタカバーが取付けられていた。

このグループは2012年3月ダイヤ改正より山形新幹線のE3系つばさと併結運転を行っていたが、2024年3月ダイヤ改正限りで運用終了した。

J51編成

量産先行車。

当初はE4系のような8両固定編成重連による運行を想定していたため、東京寄り先頭車にも連結器を装備している。また、可変式号車表示を使用していたが、10両化の際に埋められ量産車と同じ姿になっている。

赤帯8両固定編成で登場したりハッチが出っ張っていたりと、0番台に近い仕様となっている。

老朽化のため2019年に廃車された。

J52 - 69編成

東北新幹線八戸延伸と200系の老朽取替を目的に増備されたグループ。製造当初から10両編成で、連結器は八戸方先頭車にしか搭載していない。

J69編成は新潟県中越地震で被災し、脱線した200系K25編成代替新造も兼ねている。

また、一部編成が上越新幹線へ転属しており、J54 - 57・63・64の計6編成が転属していた（ただし、J57はJ56離脱後に新潟へ転属したことや、その半年後にJ56以前の廃車やJ63・64仙台転属があるので他3編成と共に新潟へ配置された期間は短い）。

2021年秋以降より廃車が開始され、2024年3月ダイヤ改正で定期運用を終了、3月28日のJ69編成による臨時列車（新潟→東京）をもって営業運行を終了する予定であった。

しかし同年3月6日、E3系単独つばさ号が滑走、郡山駅で65km/hの速度超過と500mオーバーランするトラブルが発生した。対策として、E3系単独列車にE2系を伴走車として連結することとなった。ダイヤ改正後も残る6編成（J70 - 75編成）では車両が不足するため、運用離脱したものの検査期限に余裕があったJ66編成を営業運行へ復帰させ、当該運用（回送160号→121号）に使用している。

なお、5月5 - 6日は、当該列車を臨時やまびこ160号→121号とし、久々の併結運行を行った。

J70～75編成

新青森延伸が目前に迫った2010年。E5系量産車投入が間に合わなかったため、止むを得ずE2系1000番台を再度増備することになった。

J69編成以前とは仕様が異なっており、側面の列車種別表示がフルカラーLEDに変更されたり車内にコンセントが付くなど、E3系2000番台やE5系に近い仕様となっている。

2017年に1度全編成が上越新幹線へ転属したが、2022年末 - 2023年初頭へかけて全編成が東北新幹線へ再転属、古いE2系を置換えた。

見分け方

	0番台	0番台（E2'系）	1000番台
編成両数	8両	8両→10両	10両
編成記号	N1 - N13・N21	J2 - J15	J51 - J75
シンボルマーク	そよ風	そよ風→リンゴ	リンゴ
普通車の窓	小窓	小窓（7・8号車は大窓）	大窓
側帯	赤	赤→ピンク	ピンク
客用ドア	プラグドア	プラグドア（7・8号車は引き戸）	引き戸
パンタグラフ	下枠交差	下枠交差	シングルアーム
パンタカバー	あり	あり	なし
ワイパー	1本	1本	2本
併結運用	不可能	可能	可能

備考

E2系登場当初はN編成とJ編成は共に赤帯8両編成でエンブレムも同じそよ風を模したものというパッと見では判別しにくいものであったが、2002年八戸延伸に伴いJ編成に1000番台が増備された際にJ編成のみがメイン画像のように帯色をピンクへ、エンブレムもリンゴを模したものへ変更された。また、編成も10両へ増強され、N編成とは完全に差別化された。
本来であれば東北新幹線をE5系に統一し、E2系J編成は上越新幹線専用車両とする予定であった（玉突き転属でE4系廃車）。しかし、東日本大震災の影響で設備投資計画が変更された結果、先に上越新幹線から撤退し山形新幹線用E3系の連結相手として東北新幹線に残ることになった。
上越新幹線E2系はE4系引退後に順次E7系運用へ差し替えられる予定であったが、令和元年台風第19号の影響で北陸新幹線 E7系・W7系の一部が被災して廃車となり、上越新幹線への新車投入が遅れたことでE4系が予定よりも長く残存したことから当形式置換にも影響が出ると懸念されていたが、予定通り2023年に撤退となった。
E2系J70 - 75編成は所謂「E5系世代のE2系」であるため、E5系初期編成が寿命を迎える当たりまで活躍、最後まで残留するグループとなる見通し。なお、現在でも新潟で定期検査を受けるために回送列車として入線することがある。

特別塗装（装飾）編成

ポケモン新幹線

2008年 - 2011年夏期にポケモンキャラを車体へラッピング。2008年がN6・J68編成、2009年がJ59編成、J60編成、2010年がN8・N9・J52・J55編成、2011年がJ4・J52・J53・55編成。

信州デスティネーションキャンペーン

2010年9 - 12月の間、N10・N11編成に「信州デスティネーションキャンペーン」のキャラクター「アルクマ」がラッピング。一部車両のみ。

桜新幹線

2012年春に運行。J59 - J61・J63編成に桜がラッピングされた。『新幹線YEAR 2012』のプレキャンペーン。

Suicaペンギン新幹線

2012年に運行。J編成は夏、N編成は秋に運行。J53・J60・J61・J66編成と、N1・N8・N10・N21編成へSuicaペンギンキャラクターをラッピング。これは、『新幹線YEAR 2012』の東北・上越新幹線開通30周年、長野新幹線開通15周年を記念した企画。

懐かしの200系カラー新幹線

2022年6月9日より、J66編成を200系と同じアイボリーとグリーンへ塗替えて運行。これは東北・上越新幹線開通40周年を記念した『新幹線YEAR 2022』及び『鉄道開通150年』企画で、開通時に停車駅ごとに設定されていた「ふるさとチャイム」も復活した。但し、東京駅やくりこま高原駅、本庄早稲田駅などの1991年以降(ふるさとチャイム廃止後)に開業した駅では、通常のチャイムが流れていた。

運行計画は、2022年12月31までJR東日本公式サイトで公開されていた。

東北・上越新幹線の定期列車の他、以下の団体臨時列車（ツアー）へ使用された。

2022年

6月25日：「なつかしのあおば号」（仙台駅→上野駅）
7月2日：「東北新幹線40周年記念号」（大宮駅→盛岡駅）
11月12日：「なつかしのあさひ号」（大宮駅→新潟駅）※同日運行の185系「なつかしの新幹線リレー号」（上野駅→大宮駅）より接続。

2023年

5月：GW臨時増発列車である盛岡発着便「やまびこ」164→413号（5月5日）/「やまびこ」168号（5月7日）へ充当された。団体以外での仙台以北乗入は今回のみに終わった。
7月8日：「東京再開号」（新青森駅→東京駅）運行。途中停車駅は八戸、盛岡、一ノ関、仙台、（運転停車の大宮）、上野、東京と以前のはやて号を思い出させるものであった。なお、この塗装での新青森乗入はこの1回のみで終わった。

2024年

3月15日の定期運用終了を控えた同年3月2日、東北・上越新幹線を直通運行する旅行商品（盛岡（10:50発）→上野→新潟（17:00発）団臨運行）が設定された。

ちなみにE2系導入当時、白地に緑帯のカラーリングは200系のものを引継いで本形式にも用いることが検討されたが、最終的に良く知られるツートンカラーが採用され日の目を見なかった。ある意味、幻に終わった姿が4半世紀の時を越え、形を変えて遂に実現することとなったともいえる。

また2023年2月に山形新幹線「つばさ」用E3系2000番台L65編成が約6年振りにシルバー塗装へ復刻。200系カラーと連結運用される場合があり、1999 - 2001年に見られた200系「やまびこ」とE3系「つばさ」の連結を彷彿させると、大いに話題となった。

余談だが、上越新幹線撤退直前に入った運用が下り「とき」速達便で、上越新幹線撤退後に入った運用が下り「やまびこ」（併結するつばさはシルバーカラーL65）速達便であった。

2024年3月ダイヤ改正で1度運用を終了したが、前述の通りE3系単独つばさ号へ連結する伴走車（回送）へ使用するため営業運行へ復帰した。5月5 - 6日には当該列車を臨時やまびこ号とし、久し振りに営業運転も行ったが、E8系増備に伴い伴走車としての役割が減少したことやATC更新が6月に行われたものの同編成はATC更新を行っていないため本線での走行が不可能となることから5月30日に新潟新幹線車両センターまで回送された。

Magical Dream Shinkansen

2023年12月22日 - 2024年3月28日まで運行。東京ディズニーリゾート40周年を記念して、J69編成にラッピングを実施。側面のホームで見える部分を全てラッピングで覆う大体なデザインで、パステルカラーのベースに窓上にフラッグ、乗降ドア横にミッキーマウスなどのディズニーキャラクターやシンデレラ城等の施設が描かれている。車内チャイムもテーマソングの「Living in color」になっている。

ちなみに、東北新幹線でのディズニーラッピングは、2003 - 2004年に200系で行われた東京ディズニーリゾート20周年ラッピング以来20年振り。

2024年

2月17日：「やまびこ」40号（仙台駅→東京駅、全車指定席）を運転。なお、折返しが「やまびこ」+「つばさ」129号であった関係で、E3系L編成（該当編成はシルバーカラーL65）を回送として併結されていた。
3月2日：「とき」40号（新潟駅→東京駅、全車指定席）運行。
3月15日：定期運行終了。
3月28日：上越新幹線団体臨時列車運行を最後に全運用終了。

保存車両

E223-23（J10編成1号車）…栃木県宇都宮市の三和テッキ宇都宮事業所鉄道広場で保存。はやて色。
E224-127（J14編成10号車）…茨城県筑西市のザ・ヒロサワ・シティで保存。はやて色。この他、同施設内のミニシアターにグリーン車の座席が使われている。
E223-1101（J51編成1号車）…埼玉県さいたま市の新幹線教育・訓練センター実習機材として使われている。はやて色。非公開。座席4列（大窓2つ分）に短縮改造されており、隣には、別車両のデッキ部分のみのカットモデルも置かれている。

登場作品

新幹線電車は、アニメ等の露出が多くなる傾向にある。特にロボット変形物の作品のモチーフとなることも少なくはないが、E2系は変形ロボの明確なモチーフとなったケースが1例しかないという特徴を持つ。登場時期、活躍時期となる1990年代末期および2000年以降はロボットアニメが激減、特に男児向け作品はホビアニへシフトしていたことが一因であろう。