開業以来規則的なパターンダイヤを導入しており、早朝・夜間・臨時列車を除き基本的に停車駅及び運行区間は1時間前・後の同じ分の列車も同じ列車種別・停車駅・運行区間である。また発着駅を周期的に変更している場合もある。
2005年3月1日のダイヤ改正では、1時間当たり最大で「のぞみ」8本・「ひかり」2本・「こだま」2本（朝の上り、夕方の下りは3本）の計12本（同13本）の列車が設定されているが、一部のダイヤは臨時列車用である。昼間時間帯は最低でも「のぞみ」3本・「ひかり」2本・「こだま」2本の計7本を運転する。2006年1月現在、1日当たり約290本もの本数を走らせるほどの過密ダイヤで、年末年始やゴールデンウィークなどの繁盛期には、1日370本近い本数を走らせている。
2007年8月10日には定期列車と臨時列車合わせて372本が運転された。これは1日あたりの本数として過去最高である（座席数に換算して49.2万席 これまでの最多本数は愛知万博期間中の2005年8月12日に運転された366本）。その結果、同日（8月10日）の下り乗車人員は229千人に達し、これも過去最高となった。
列車運行時間は、住民への騒音などの配慮や、保守工事を安全のため夜間に集中的に行うことから、キッカリ6時00分から24時00分までとしていて、0時から6時までの間は営業運転を行わない。但し、事故や気象状況（大雨、強風）等によるダイヤの乱れが発生した時は、運行時間延長の処置が取られることもあり、延長時間分は徐行による減速運転をする。また、1970年の日本万国博覧会（大阪万博）と2002年のFIFAワールドカップ日韓大会では、例外的に臨時列車による深夜運行が行われたが、それに関しても徐行による減速運転となった。
「のぞみ」の一部（毎時2本）は東京駅から福岡県福岡市の博多駅までの両線全線を走破し、途中駅で乗り換えをせずに行くことができる。最速の「のぞみ」は東京 - 博多間を最速4時間50分で結んでいる。
「のぞみ」は、1992年3月14日に300系登場と同時に新しく設定された、東海道・山陽新幹線の顔というべき最速達タイプの列車で、本数は全体の約5割。当初は東海道新幹線のみで初電と終電の1日2往復であったが、ダイヤ改正のたびに少しずつ増発が行われ、2003年10月のダイヤ改正以降、「ひかり」に代わる東海道・山陽新幹線の主軸列車として位置付けられ、本数が大幅に増やされた。種別カラーは黄色（電光掲示板ではオレンジ色で表示される場合あり）。
停車駅
品川・新横浜・名古屋・京都・新大阪に必ず停車し、これら以外の駅には停車しない。また、この停車駅設定をもって「のぞみ」を定義している。
現在すべての「のぞみ」は静岡県下の6駅（熱海、三島、新富士、静岡、掛川、浜松）を通過している。このため、富士山静岡空港直下への新幹線新駅建設問題も含めて、地元政財界が不満に思っており、それを受けて石川嘉延静岡県知事が「県内素通りの新幹線から通過税をとる」と議会で発言したことすらある。なお、駅構造の面からひとつの要因として、どの駅もホームが線路外側に上下各1面ずつの対面式（ただし三島駅のみ島式）で、緩急接続ができないことがある。ちなみに岐阜県下唯一の駅、岐阜羽島も「のぞみ」は通過するが、関ヶ原付近の雪害の問題から、折り返し運転が出来るよう島式ホーム2面4線と中央に通過線2本、渡り線もある駅構造となっている。
運転開始当初は早朝と深夜の2往復のみの設定で、名古屋と京都のみに停車した。さらに、早朝の下り列車「のぞみ301号」（新大阪行き）は新横浜にのみ停車し、そのあと名古屋、京都を通過し、終点・新大阪まで無停車の列車だった。この列車は特に名古屋飛ばしと呼ばれ、1日1本下りだけとはいえ運営企業たるJR東海本社のある名古屋をも通過することから地元政財界等から猛反発をくらい、名古屋市議会も抗議文を採択したほどであった。地元マスコミの批判報道も過熱した。ちなみに名古屋・京都共に全列車停車を前提としていて、通過線にホームがあり、かつホームドアが設置されていないという駅構造のため、両駅通過時には70km/h以下に減速した。その後1993年3月18日のダイヤ改正で「のぞみ」が山陽新幹線への直通を開始すると同時に、名古屋・京都停車の「のぞみ1号」（博多行き）が後発で運転されるようになった。そして1997年11月29日のダイヤ改正で、500系が東海道新幹線での運用を開始するにあたり、線路保守間合いの見直しもあり、両駅停車でも東京 - 新大阪間で2時間半の所要時間を維持する事が可能となり、これをもって問題の301号は後続の1号に統合される形で廃止された。過去には京都でも東海道新幹線建設計画時点で京都駅自体を経由しない案や、超特急（「ひかり」のこと）が通過する案に対する一悶着（鉄道と政治参照）があった。
車両
東京 - 博多間直通の列車のうち毎時1本がN700系での運行で、その他は700系を主に使用。1日2往復のみ500系と、臨時列車・全般検査時には300系も使われる。
新設時は300系のみが使用されていた。
「ひかり」は、東海道新幹線開業時から存在する速達タイプの列車。「のぞみ」登場までは、最速達列車であった。「のぞみ」登場後も、東海道・山陽新幹線の主軸列車として位置付けられていたが、2003年品川開業以降、「のぞみ」の大増発と引換に本数が全体の約2割に削減され、「のぞみ」の補完的な存在となった。種別カラーは赤。
停車駅
品川・新横浜・名古屋・京都・新大阪には必ず停車。「東京・品川・新横浜・熱海（1日3往復）または三島（1日6往復）・静岡・浜松・名古屋・京都・新大阪」と、「東京・品川・新横浜・小田原または豊橋（2時間サイクルで基本的に交互に、早朝の下り1本のみ両方停車、夜間の1往復は両駅には停車せず静岡に停車）・名古屋からの各駅」という2つの系統があり、基本的には前者のパターンが岡山まで各駅停車で乗り入れている。（早朝、夜間は一部変則停車あり）
東京発着列車は岡山行きが最遠となり、それより西に直通する列車は基本的には存在しないが、早朝に新横浜始発広島行き下り1本と、三原始発東京行き上り1本が、例外的に設定されている。他に東京 -名古屋は1日2往復、 名古屋 - 博多は1日1往復、名古屋始発広島行き1本が運転されている。
車両
基本的に300系・700系を使用。また「393号」（新横浜始発広島行き、小田原・静岡・名古屋・京都・新大阪・新神戸・西明石・姫路・岡山・福山停車）と「433号」（東京始発名古屋行き、品川・新横浜・静岡・浜松・豊橋停車）はN700系が使用される。