環状運転開始当時のダイヤは、基本的に毎時5本（12分間隔）で運転され、一周の所要時間は72分、池袋駅‐赤羽駅間（現在の赤羽線）の所要時間は10分であった。このほか、通勤時間帯には臨時電車が運転されたほか、田端駅 ‐ 田町駅間は京浜線電車も運転されていた[31]。

戦後、復興に伴う輸送量の増大で山手線、京浜線とも増発が行われ、1956年11月19日から共有だった両者の線路（田端駅 - 田町駅間：11.7 km）を分離し、内側を環状運転を行う山手線、外側を往復運転を行う京浜東北線（分離時に改名）が走るようになった[32]。

1972年（昭和47年）には、当初山手線本線であった赤羽駅 - 池袋駅区間の線路名称が赤羽線に変更された。赤羽線は山手線の本線として運営されてきたため、池袋駅では10両編成化に伴う新ホーム設置（現行3・4番線）までは山手線外回り始発電車ホーム（現行8番線）を発着していた。ラインカラーもかつて山手線で使われていた「カナリア（黄色）」が、山手線が「ウグイス（黄緑色）」に塗装変更されたあとも使われた。1985年（昭和60年）9月30日、赤羽線は埼京線の一部として運行される現在の形態に移行した[33]。

車両は1960年代初めまでは72系が使用されていたが、1961年（昭和36年）からカナリア色の101系が使用された。その後、1963年（昭和38年）からウグイス色の103系が主力となったが、老朽化のため1988年（昭和63年）6月で運行を終了し、205系にすべて置き換わった。このとき導入されたサハ204形が6扉車の初めである[34]。この後、E231系500番台に置き換わったが[8]、6扉車はサハE230形500番台として継承された。しかし、ホームドア設置のため6扉車は2011年（平成23年）9月4日に全車運用を離脱し[35]、廃車となった。2015年（平成27年）からはE235系が運行を開始した[新聞 2]。
年表
日本鉄道国有化前山手線の運行系統の変遷

*が付いている駅は、のちに路線分離により赤羽線の駅となった駅。

1872年（明治5年）

6月12日：官設鉄道 品川駅 - 横浜駅間鉄道仮営業。品川駅開業。

10月14日：新橋駅 - 横浜駅間本開業。新橋駅（初代）開業。


1883年（明治16年）7月28日：日本鉄道 上野駅 - 熊谷駅間開業。上野駅開業。

1885年（明治18年）

3月1日：日本鉄道品川線 品川駅 - 赤羽駅間（12 M75 C50 L≒20.83 km）開業。渋谷駅・新宿駅・板橋駅*開業。

3月16日：日本鉄道品川線 目黒駅・目白駅開業。


1890年（明治23年）

1月25日：MCL表示からMC表示に簡略化（12M75C50L→12M76C）。

11月1日：日本鉄道 上野駅 - 秋葉原駅間貨物線開通。秋葉原駅（貨物駅）開業。


1894年（明治27年）8月：のちの大井聯絡所とのちの大崎駅を結ぶ軍用線が竣工開業（1901年貨物線となる）。

1896年（明治29年）4月1日：日本鉄道 田端駅開業。

1901年（明治34年）

2月25日：日本鉄道山手線 大崎駅・恵比寿駅（貨物駅）開業。

3月15日：官設鉄道 大井聯絡所 - 大崎駅間で貨物列車運行開始。

8月1日：官設鉄道 大井聯絡所 - 大崎駅間（72 C≒1.45 km）が正式に開業。

8月8日：日本鉄道が定款を変更し、品川線（品川駅 - 赤羽駅間）と豊島線（池袋駅 - 田端駅間、このとき未開業）を統合し山手線とする[28][注釈 5]。


1902年（明治35年）

5月10日：日本鉄道山手線 目白駅 - 板橋駅間に池袋信号所を開設[27]。

11月12日：MC表示からマイル表示に簡略化（品川駅 - 赤羽駅間 12 M76 C→13.0 M、大井駅 - 大崎駅間 72 C→0.9 M）。