1891年（明治24年）に全線開通、その後1925年（大正14年）の山手線環状運転開始時に敷設された東京駅 - 秋葉原駅間の電車線も東北本線に組み込まれ、営業キロが739.2 km と日本最長の路線となった。第二次世界大戦終結後の高度経済成長期には長距離の特急・急行列車が大幅増発されたが、1982年（昭和57年）に東北新幹線の大宮駅 - 盛岡駅間が開業すると、長距離列車は新幹線経由での運行に移行し、並行する東北本線在来線列車は中距離列車に置き換えられた。東北本線の旅客輸送は地域輸送中心の体制に移行しており、全線を走行する定期旅客列車は存在せず、栗橋駅 - 岩沼駅間、仙台駅 - 盛岡駅間には特急列車は運行されていない。2002年（平成14年）12月1日には同新幹線の盛岡駅 - 八戸駅間が開業、2010年（平成22年）12月4日には八戸駅 - 新青森駅間も開業し、その区間で並行する東北本線在来線はJR東日本から第三セクター鉄道会社（盛岡駅 - 目時駅間はIGRいわて銀河鉄道、目時駅 - 青森駅間は青い森鉄道）に経営が移管された。この結果、東北本線在来線は東京駅 - 盛岡駅間の全長535.3 km（支線含まず）の路線となり、山陰本線・東海道本線に次ぐ在来線で3番目に長い路線となった。

東北本線には旅客列車のほか、首都圏と沿線各地や北海道を結ぶJR貨物の貨物列車も多数運行されており、隅田川駅 - 札幌貨物ターミナル駅間は「北の大動脈」とも比喩されている[4]。多くの貨物列車が東海道本線を経て東海道・山陽・九州方面と、IGRいわて銀河鉄道線・青い森鉄道線・海峡線を経て北海道方面と直通している。

電化方式は栃木県の黒磯駅を境に、同駅以南では直流電化 (1,500 V)、以北では交流電化 （20 kV・50 Hz） となっており、普通列車は黒磯駅以南では直流電車、黒磯駅 - 白河駅間では交直流電車、新白河駅以北では交流電車がそれぞれ使用されている（使用車両節参照）。黒磯駅を越えて運転される在来線旅客列車は、臨時列車のみで、定期旅客列車は存在しない。

東北本線の線路名称上の起点は1925年（大正14年）以来東京駅であり、同駅は1991年（平成3年）以来東北新幹線の起点ともなっているが、旅客案内上や時刻表などで「東北本線」と呼ばれている中・長距離旅客列車は1960年代以前の一部の東海道線（東海道本線）直通列車を除いて長年にわたり、東京都台東区の上野駅を起点として運行されていた（後節を参照）。また、1968年（昭和43年）9月30日まで大宮駅 - 赤羽駅間は国電（京浜東北線）と列車が同じ線路を共用していたが、翌10月1日に電車線と列車線に分離が行われ、現在の系統別の運転方法が完成した。東京駅 - 上野駅間の列車線は東北新幹線東京駅延伸による用地確保のため1973年（昭和48年）に廃止され、それ以降は電車線を走行する東京近郊の近距離電車（運行系統としての中央線・山手線・京浜東北線）のみとなっていた[1] が、廃止から42年後の2015年（平成27年）より同区間の列車線が再び敷設され上野東京ラインとして東海道線との相互直通運転が再開された。
線路名称と愛称、路線系統名称

今日の「東北本線」と呼ばれる線路は、日本鉄道の時代は「奥州線」と呼ばれたり[5][6]、地図上では「東北鉄道」などの記載も見られたりしたが[5][7]、同社の定款では「第一区」から「第五区」[8]、国有化直前時点の定款では仙台駅を境に「本線南区」・「本線北区」と称していた。国有化後の1909年（明治42年）10月12日には国有鉄道線路名称（明治42年鉄道院告示第54号）[9]により、当線は主な経由地（福島県・宮城県・岩手県・青森県）の地方名として定着していた「東北」を冠し「東北線の部」（略称：東北線）[9][10][11]の東北本線となった[9][10][11]。この時「東北線の部」に属していた路線は東北本線、山手線、常磐線、隅田川線、高崎線、両毛線、水戸線、日光線、岩越線、塩釜線、八ノ戸線の11路線であり、東北本線はこの中の「本線」とされ「東北線の部」の中核となった[9][10][11][12]。主要経由地の4県は明治以前の令制国では陸奥国（奥州）の地域であったが、戊辰戦争の戦後処理の一環で明治政府が出羽国（羽州）と共に1868年（明治元年）に分割（「陸奥国 (1869-)」参照）、これに伴い民権派が薩長土肥を『西南』と呼んだのに対し、旧奥羽両国を指す新名称として明治10年代から使用し、当線の改称時には一般化していた「東北」が採用された[9]。赤羽駅 - 大宮駅間の三複線（蕨駅）

今日の東北本線では、当路線内運行の列車のほか、当線経由で他線各地に向かう列車も運行されている（地域輸送を参照）。こと東京駅 - 大宮駅間ではかつての国電である近距離電車（山手線・京浜東北線・埼京線）がそれぞれ専用の線路で運行されており、旅客案内上では「東北本線」や「東北線」ではなくこれらの運行系統の名称が使用されている。上野駅を発着する黒磯駅までの中距離列車に対してはかつて「東北線」と呼ばれていたが、国鉄分割民営化後の1990年（平成2年）3月10日に宇都宮線という愛称が与えられた（命名経緯については「宇都宮線#「宇都宮線」の愛称制定後」を参照）[13][14]。また、山手線池袋駅や新宿駅を発着する中距離列車も運行されるようになり、これらは2001年（平成13年）に東海道本線・横須賀線への直通運転へと発展し湘南新宿ラインという愛称が与えられた。このほか中央本線（中央線）・常磐線（常磐線快速）・高崎線や武蔵野線の列車も当路線に乗り入れており[† 6]、東京駅 - 上野駅間を経由して東海道線と宇都宮線・高崎線・常磐線を直通する系統は上野東京ラインと呼ばれている。