0番台は東北新幹線向けJ編成・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。試験後にS6→N1編成・S7→J1編成にそれぞれ量産化。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。翌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編成を除くJ編成は10連化され、帯がつつじピンクに変更された。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系を置換した。

翌2014年（平成26年）3月15日より北陸新幹線、2019年（平成31年）3月16日より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。

2025年（令和6年）1月時点では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」及び間合い運用「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日に郡山停車予定であった「つばさ121号」が速度低下出来ず、オーバーランしたトラブルが発生したことに伴い、「つばさ121・148・159・160号」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・部品57編成分を輸出、設計製作等、生産技術知的財産権を中国に譲渡。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0番台に統一。全列車最高速度275km/h運行となる。
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」に変更し、全車指定席で運行開始。J編成（J1編成を除く0番台及び1000番台J51編成）を8→10連に増結。J1編成をN21編成に改番し、北陸新幹線に転属。以降、1000番台J編成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：仙台以北を走行する盛岡発着「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・1000番台J編成×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」運用開始。最高速度275km/hに引上げ。
- 9月29日：山形新幹線「つばさ」と併結する「やまびこ」全列車をE2系に統一（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「はやて」充当運用終了。同時に盛岡以北での定期運用を終了。
- 9月28日：同日改正で秋田新幹線「こまち」（E3系R編成）との連結運用終了。
2019年3月15日：東京 - 盛岡間「はやて」「やまびこ」定期運用終了、大半の単独「やまびこ」「なすの」もE5系に置換え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往復及び、「なすの」2往復に減便。単独「なすの」から撤退。
- 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 - 八戸間で運行。
2023年3月18日：定期「やまびこ」（東京 - 仙台間）11往復、「なすの」2往復に変更。一部「やまびこ」3往復を6月30日までE2系で運転。
2024年3月16日：同日改正で山形新幹線「つばさ」（E3系L編成）との併結運用終了。定期「やまびこ」3往復・「なすの」5.5往復に変更。

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0番台N編成が定期運用終了。以降は臨時列車として運行。
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。
- 31日：臨時「あさま」を最後に北陸新幹線での0番台N編成が営業運行終了。

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0番台N編成8連及び0・1000番台J編成8連で運行。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：運用を1000番台J編成10連に変更。一部「とき」「たにがわ」に投入。
2004年3月12日：上越新幹線でのE2系運用を一時的に休止。
2013年（平成25年）
- 1月26日：上越新幹線でE2系運行再開。一部「とき」「たにがわ」をE2系に変更。
- 3月16日：速達「とき」をE4系「Maxとき」からE2系「とき」に変更し、再度大宮停車に変更。前日に200系が定期運用終了。
2017年9 - 11月：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往復に減便。
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（N・J編成）

「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。北陸新幹線軽井沢付近に存在する電源周波数の境を通過するため、50/60Hz周波数切替装置を搭載、また碓氷峠に存在する30‰急勾配走行に対応するため、下りは普段は時速210km/h、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最高時速110km/h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出力モーターを搭載し、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1000番台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。その後は同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（平成25年）より廃車または上越新幹線への転用が開始される。

0番台N編成は2017年（平成29年）3月31日限りで営業運行終了。引退を目前とした2016年、最終編成の1つ・N13編成に「E2 ASAMA」ステッカーが貼られた。

同番台J編成はE3系「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系に置換えられ、2016年（平成28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様になる。その後、2019年（平成31年）3月16日限りで全運行終了。これを最後に0番台は全廃となった。

N1・21編成

どちらも先行試作車であり、量産車と比較してノーズや連結器カバー形状が量産車と異なるため、顔付きが少し鋭い。

N21編成はかつてJ1編成であったが、2002年に長野転属となった際に編成番号を変更している。なお、同編成は「East-i」軌道検測車を挟み込んで代走運用に入ることが出来た。

1000番台（J編成のみ）

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連・J51 - 75編成）。

こちらは東北新幹線向けに製造されたこともあり、50Hz専用とされ急勾配区間用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編成に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E3系「つばさ」と併結運行を行っていたが、2024年3月ダイヤ改正限りで終了した。

J51編成

量産先行車。

当初はE4系の様な8連固定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連化の際に埋められ、量産車と同じ姿となっている。

赤帯・8連固定で登場したり、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（令和元年）に廃車・解体された。

J52 - J69編成

東北新幹線八戸延伸及び200系老朽置換を目的に増備されたグループ。製造当初より10連で、電気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、一部が上越新幹線に転属しており、J54 - J57・J63・J64編成の計6編成が転属していた（ただし、J57編成はJ56編成離脱後に新潟に転属したことやその半年後にJ56編成以前の廃車やJ63・64編成仙台転属があるので他3編成と共に新潟に配置された期間は短い）。

2021年（令和3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終了。同月28日のJ69編成による臨時列車（新潟→東京間）限りで営業運行を終了する予定であった。

しかし、同年3月6日にE3系単独「つばさ」が滑走。郡山で65km/h速度超過及び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編成を営業運行に復帰させ、当該運用（回送160→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→121号とし、久々の併結運行を行った。

J70 - J75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J編成を再増備することとなった。

J69編成以前とは仕様が異なっており、側面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等、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に転属したが、2022年末 - 翌23年初頭にかけて全編成が東北新幹線に再転属、古いE2系を置換した。

見分け方

	0番台	0番台（E2'系）	1000番台
編成両数	8	8→10	10
編成記号	N1 - N13・N21編成	J2 - J15編成	J51 - J75編成
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〃（7・8号車は引戸）	引戸
パンタグラフ	下枠交差	〃	シングルアーム
パンタカバー	あり	〃	なし
ワイパー	1本	1本	2本
併結運用	不可	可	〃

備考

E2系登場当初はN・J編成は共に赤帯8連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様に帯色をピンク、エンブレムもリンゴを模したものに変更された。また、編成も10連に増強され、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。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系連結相手として東北新幹線に残ることとなった。
上越新幹線E2系はE4系引退後に順次E7系運用に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場合がある。

特別塗装（装飾）編成

ポケモン新幹線

2008 - 11年夏期にポケモンを車体にラッピング。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・52・53・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・11編成に「信州デスティネーションキャンペーン」のキャラ「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。1000番台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。1000番台J編成は夏、N編成は秋にそれぞれ運行。J53・J60・J61・J66編成及びN1・N8・N10・N21編成に「Suica」ペンギンキャラをラッピング。これは、『新幹線YEAR_2012』の東北・上越新幹線開通30周年、北陸新幹線開通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1000番台J66編成を200系同様アイボリー・グリーンに塗替えて運行。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。ただし、東京やくりこま高原・本庄早稲田等の1991年以降（『ふるさとチャイム』廃止後）に新設された駅では通常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・上越新幹線定期列車の他、以下の団体臨時列車（ツアー）に使用された。

2022年

6月25日：「なつかしのあおば号」（仙台→上野間）
7月2日：「東北新幹線40周年記念号」（大宮→盛岡間）
11月12日：「なつかしのあさひ号」（大宮→新潟間）※同日運行の185系200番台「なつかしの新幹線リレー号」（上野→大宮間）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）に充当された。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→東京間）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」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月2日、東北・上越新幹線を直通する旅行商品（盛岡（10:50発）→上野→新潟（17:00発）間団臨運行）が設定された。

ちなみに、E2系0番台導入当時、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」に連結する伴走車（回送）に使用するため営業運行に復帰した。5月5 - 6日には当該列車を臨時「やまびこ」とし、久し振りに営業運行も行ったが、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日まで運転。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→東京間・全車指定席）運行。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→東京間・全車指定席）運行。
- 15日：定期運行終了。
- 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）…栃木県宇都宮市三和テッキ宇都宮事業所鉄道広場で静態保存。「はやて」色。
E224-127（J14編成10号車）…茨城県筑西市ザ・ヒロサワ・シティで静態保存。「はやて」色。この他、同施設内のミニシアターにグリーン車座席が使用されてている。
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用されている。「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設置されている。

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年代末期及び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。