第23回（2005年）大会からは仙台市での開催となり、仙台市陸上競技場（旧・宮城陸上競技場）からスタートして仙台市都心部と長町地区および泉中央地区を行き来して都心部に戻り、仙台市役所前にある勾当台公園市民広場のゴールに至るコースが設定された[注 1]

第24回（2006年）から第30回（2012年）までのコース ： Google マップ（スタートとなる仙台市陸上競技場の敷地内は省略。）

第24回（2006年）大会からは泉中央を回避し、第5中継所を泉区役所から宮城学院女子大学前に移転した[注 2]。6区間38.6kmのコースは、定禅寺通りを2回通過し、広瀬川を4回渡河するなど、沿道には杜の都を象徴する風景が何度も現れる。距離は同じながら、2009年までは1区6.0 km・2区6.6kmで行われ、2010年からは第1中継所が変更され、1区が5.8 km・2区が6.8kmに変更となっていた。

コースの特徴として、仙台は大阪時代のコースに比べてアップダウンの激しいコースとなっている（仙台の地形参照。）。これは、仙台市のもとになった仙台城下町が周囲を丘陵で囲まれた複雑な河岸段丘上に建設されたためで、仙台国際ハーフマラソンなど、ほかの仙台市で行われる陸上競技大会でも同様にアップダウンの激しいコースが設定されている。コース全体で60m、特に5区では40mもの高低差を擁するため、富士宮市?富士市で開催される大学女子選抜駅伝と比べて選手配分やペース配分の難しい駅伝となっている。

杜の都駅伝では交通事情の関係で全区間において先頭が通過してから10分経過すると繰り上げスタートとなっている。全区間が10分繰上げ式に統一されたことで、大阪開催時とはうって変わって毎年のように繰り上げスタートが発生している。4区までは白タスキでのスタートとなるが、5区に限り母校の別タスキでスタートすることができる（レース展開によっては母校のタスキが途中で途切れ白タスキとなるチームも見られているが、第4中継所まで母校のタスキでつながる場合もあり、白タスキが発生しない場合もある。）。
1区（5.8km）

仙台市陸上競技場スタート（→宮城野陸橋→卸町通り）→第1中継所・仙台市陸上競技場前（仙台市宮城野区）
2区（6.8km）

第1中継所（→宮城野通り→仙台駅東部→荒町→広瀬橋→長町駅前）→第2中継所・太白区役所前（仙台市太白区）
3区（9.1km）

第2中継所（→国道286号→愛宕大橋→荒町→仙台駅西部→南町通り→大橋→仲の瀬橋→西公園通り）→第3中継所・西公園こけし塔前（仙台市青葉区）
4区（4.9km）

第3中継所（→定禅寺通り→勾当台通→北四番丁通り→県道仙台泉線→台原歩道橋）→第4中継所・ネッツトヨタ仙台黒松店前（仙台市青葉区）
5区（4.0km）

第4中継所（→鶴ヶ谷荒巻青葉山線→水の森3丁目交差点→県道北四番丁大衡線）→桜ヶ丘公園前折り返し→第5中継所・宮城学院正門前（仙台市青葉区桜ヶ丘）
6区（8.0km）

第5中継所（→水の森3丁目交差点→台原歩道橋→上杉山中・宮教大附属中→上杉1丁目交差点→北四番丁通り→晩翠通り→定禅寺通り）→仙台市役所前ゴール（仙台市青葉区）
第29回（2011年）大会
東日本大震災の影響
2011年（平成23年）3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震（東日本大震災）で死傷者約3千人、総額1兆3千億円以上の被害を受けた仙台市では、仙台国際ハーフマラソン（5月開催）、仙台カップ国際ユースサッカー大会（9月開催）などのスポーツイベントが次々と開催中止となり、東北学生陸上競技対校選手権大会（5月）も仙台から秋田に場所を移しての6月開催となった。第29回（2011年）大会（10月23日開催）は6月には開催の方針がとられたが、道路の波打ち、亀裂、段差があったり沿道の建物が余震によって倒壊する恐れがあったり宮城陸上競技協会の競技審判員の3割が被災者（震災の犠牲者を含む。）だったりと開催には問題が残っていた。しかし、道路工事の進捗を東北学生陸上競技連盟の学生や宮城陸上競技協会が何度も下見して安全を確認し、レース中に震度5以上の地震が発生した場合にレースを中断して避難経路に誘導する手順などを確認して開催にこぎつけた。また、東北福祉大学や名城大学などの選手たちが被災地でのボランティア活動を続け、大会に臨んだ。
第5中継所の繰上げスタート
第5中継所では、各中継所では本来トップチームが通過して10分経過した場合繰り上げスタートするはずが、テレビ中継のテロップに出ていたタイム[注 3] が10分より数秒早い時点（9分55秒）で繰り上げスタートされた。このため東北学連選抜が中継所へ手を伸ばせば届きそうなぐらいの距離まで迫っていたにもかかわらず、繰り上げスタートによって襷リレーが行われなかった（タイム的には9分58秒で中継所に到着していた。）。この件に関して中継内でアナウンサーにより主催者側が調査をしているということが告げられた。その後日本テレビや読売新聞の大会サイトで、規定の10分より2秒早く9分58秒の時点でスタートが切られており、本来ならタスキでリレー出来た東北学連選抜チームが繰り上げスタートとなってしまったことが発表となり、謝罪を行ったという[5][6][注 4]。なお、同時に「公式記録に影響はありません。」と発表されたため、この年の東北学連選抜チームは結局『6区繰り上げスタート』という公式記録になっている。
宮城コース6区間38.0km（2013年?2018年）

第31回（2013年）大会から第36回（2018年）大会までのコース ： Google マップ（スタートとなる仙台市陸上競技場の敷地内は省略。）以下区間歴代5傑を記載。

1区（6.4 km）仙台市陸上競技場→仙台育英学園


2区（5.6 km）仙台育英学園周辺の周回コース


3区（6.8 km）仙台育英学園→仙台市太白区役所前


6区（5.2 km）ネッツトヨタ仙台黒松店前→仙台市役所前市民広場

※4区・5区は現行コースと同じであるため、後述。
宮城コース6区間38.1kmコース（2019年?2022年）

1区が6.6km、2区が3.9km、3区が6.9km、6区が6.7kmにそれぞれ変更され38.1kmのコースとなった。折り返し地点が4か所となったコースとなった。

1区（6.6 km）仙台市陸上競技場→卸町→仙台育英学園

2区（3.9 km）仙台育英学園→仙台駅前→仙台育英学園

3区（6.9 km）仙台育英学園→仙台市太白区役所前

6区（6.7 km）石井組前→台原→仙台市役所前市民広場

※4区・5区は現行コースと同じであるため、後述。
宮城コース6区間38.0kmコース（2023年?）

1区が6.6km、2区が4.0km、3区が5.8km、6区が7.6kmにそれぞれ変更され38.0kmのコースとなった。

1区（6.6 km）仙台市陸上競技場→仙台中央卸売市場前

位氏名タイム所属年次・順位
1村松灯21分21秒立命館大2023年・区間賞
2米澤奈々香21分24秒名城大2023年・区間2位
3前田彩花21分37秒関西大2023年・区間3位
4保坂晴子21分45秒日本体育大2023年・区間4位
5小野真緒21分51秒拓殖大2023年・区間5位


2区（4.0 km）仙台中央卸売市場前→仙台育英学園

位氏名タイム所属年次・順位
1太田咲雪12分55秒立命館大2023年・区間賞
2力丸楓12分58秒名城大2023年・区間2位
3岩崎麻知子13分03秒拓殖大2023年・区間3位
4平尾暁絵13分14秒大東文化大2023年・区間4位
5尾方唯莉13分18秒日本体育大2023年・区間5位


3区（5.8 km）仙台育英学園→仙台市太白区役所前

位氏名タイム所属年次・順位
1石松愛朱加18分52秒名城大2023年・区間賞
2山田桃愛18分53秒玉川大2023年・区間2位
3依田来巳18分56秒大阪学院大2023年・区間3位
4嶋田桃子19分06秒日本体育大2023年・区間4位
4伐栗夢七19分06秒関西大2023年・区間4位
4兼子心晴19分06秒城西大2023年・区間4位


4区（4.8 km）仙台市太白区役所前→五橋中学校前

位氏名タイム所属年次・順位
1谷本七星15分14秒名城大2022年・区間賞
-谷本七星15分37秒名城大2021年・区間賞