概要
あおば通駅（宮城県仙台市青葉区）から仙台駅を経由し石巻駅（同県石巻市）までを結ぶ50.2km（営業キロ）の本線と貨物支線からなる。
私鉄の宮城電気鉄道が1925年に建設した鉄道線が1944年5月1日に国有化された。この経緯より、東北地方のJR線としては現在唯一の直流電化路線となっている。
なお、東北本線などの他の鉄道線と違い、開業当初から電化されている。これには、宮城電気鉄道の親会社が亜鉛の精錬をするため発電事業に着手するも第一次世界大戦終結で需要が激減、せっかく手にした事業を無駄にしないためこの路線を建設した…という事情があるのだとか。
現在、あおば通-陸前原ノ町間が地下線となっているが、宮城電気鉄道開業時はこれとは別に仙台駅（東北本線の仙台駅の西口側）を地下駅とし、ここより数百メートルながら地下線として走らせていた（1952年にホームを東口側へ移動して地上駅化し、2000年に現在の再地下化に至る）。これは東京の銀座線開業より2年早く、そのため「日本で最初の地下（鉄）線」と言われることもある。
なお、当時の地下線のトンネルは再地下化まで他のホームへの連絡通路として、再地下化後は改装され地下自由通路として使われているが、他ホーム側の階段は僅かな痕跡しか残っていない。
2011年10月より次世代型列車保安システムであるATACSがあおば通-東塩釜間に導入されている。
国有化以後輸送力増強や防災を名目に頻繁に線形改良やルート変更が行われており、開業以来の線路や駅が残っている区間が陸前浜田-陸前富山間と陸前小野-陸前山下に限られわずかな部分しか残っていない。
東日本大震災による影響
2011年3月11日に発生した東日本大震災で特に津波により大きな被害を受けており、2012年4月現在も高城町駅～陸前小野駅間については復旧のめどがたっていない状態であった。
なお、陸前小野～石巻間は津波により変電所が損壊したため、石巻線で使用している気動車（キハ110系）が運用されていた。
一部区間を内陸に移設した上の復旧計画により、2015年5月30日全線で運転を再開。東北本線から連絡線経由で石巻方面へ直通する仙石東北ラインも同日に開業している。
余談
- 沿岸部を走行するため車両への塩害が避けられず、老朽化の進行が早くなるため車両更新が10数年単位と比較的短いサイクルで行われる。これが新車投入を躊躇させる原因となっており、首都圏の通勤型の中古車両を転属させることが続いている。このうち103系電車は1970年代後半と1993年と2回置き換えがなされている。
- 国有化された後も施設などはほぼそのまま使われ続けたため、再地下化された2000年台になっても他路線との直通列車がなかった。2015年になって前述の仙石東北ラインが開業し、2016年からは女川〜仙台で仙石線経由の直通運転を開始している。
- 上記の理由故か、はたまた用地の問題か、両端のターミナル駅である仙台駅・石巻駅とも、仙石線のホームだけが駅舎からやたらに遠い。
- 国有化される前の宮城電気鉄道は、この路線に加えてもうひとつ、廃線の危機にあった私鉄路線・松島電車を戦時中に買収・営業しようとしたが、諸々の事情により幻に終わった。その後この私鉄はあえなく廃線となっている。