旅客列車は小牛田駅 - 石巻駅・女川駅間の運転が基本で、小牛田駅 - 前谷地駅間の区間運転列車や前谷地経由の気仙沼線柳津駅発着列車、小牛田経由の陸羽東線古川行きの列車も設定されている。ただし小牛田駅 - 女川駅間を直通運転する列車の中には石巻駅で10 - 30分間の長時間停車を行ったのち発車する列車もあり、全体の所要時間はばらつきが大きい。一部列車を除いてワンマン運転を実施している。2016年8月6日からは、仙台駅 - 石巻駅間を東北本線・仙石線経由で結ぶ「仙石東北ライン」のうち上り始発列車と下り最終列車が当路線の石巻駅 - 女川駅間に乗り入れ、仙台駅 - 女川駅間を直通運転している[33][34]。当路線内では仙石東北ライン直通列車も含めすべての旅客列車が各駅に停車する。

震災前は、仙台駅から当路線の小牛田駅 - 前谷地駅間を経由して気仙沼線に直通する快速「南三陸」も運転されていた（当路線内は上涌谷駅を通過）。また2001年頃まで小牛田駅 - 前谷地駅間で石巻線の列車と気仙沼線の列車を併結する運用も見られた[注釈 1]。
直通快速

震災後は2015年5月29日まで仙石線の一部区間が不通となっており、2011年12月1日から東北本線小牛田駅経由で朝に石巻発仙台行き、2012年1月10日から夜に仙台発石巻行きの直通快速がそれぞれ1本運行されていた。いずれも途中無停車[注釈 2]で、仙石線経由の定期券や乗車券が利用でき、仙台駅直通のため仙石線代替バス乗り継ぎよりも所要時間が30分程度短縮された[26][27]。当初は臨時快速として平日のみの運転だったが、2012年3月17日のダイヤ改正で毎日運転の「直通快速」となった[28]。2015年5月30日の仙石線全線運転再開および「仙石東北ライン」運行開始に伴い、前日の29日限りで運転を終了した[29]。

2012年5月7日からは、概ね平日の年末年始等を除いた指定日に限り、朝の仙台発石巻行きと夜の石巻発仙台行きの小牛田駅経由の臨時直通快速も1本ずつ運転開始された[55]（平日は既設の定期直通快速と合わせて1日2往復運転となった）。シーズンごとに運転が継続され、2015年5月29日まで運転された[56][57][58][59][60][61][62][63][64][65][66][29]。使用車両は2012年5月7日から2013年3月15日までがキハ40系2両編成で、2013年3月18日から2015年5月29日まではキハ110系2両編成だった。
貨物列車

貨物列車は定期列車が月曜日6往復、火 - 金曜日8往復、土曜日7往復、休日6往復、他に臨時列車が2往復設定されている。すべてコンテナ列車で、積荷は紙がほとんどである。震災以後は運休していたが、2012年10月9日より運行を再開した。この列車は仙台貨物ターミナル駅から東北本線を経由して小牛田駅に向かいそこから石巻線を走行し、仙石線支線の石巻港駅へ向かう列車であり、東北本線区間では電気機関車EH500形とディーゼル機関車DE10形またはDD200形が連結して列車を牽引し、小牛田駅で前に連結されている電気機関車を切り離してディーゼル機関車で運行される。なお、東北本線区間での連結はあくまで機関車の付け替えの手間を軽減する目的であり、重連運転ではない。また貨車にはコキ100系などのコンテナ貨車、積載するコンテナは19D形、20D形が使用される[67]。貨物列車（2014年11月 涌谷駅 - 前谷地駅間）
使用車両

以下の小牛田運輸区所属の気動車で運行されている。

キハ110系 - 全区間で使用。

HB-E210系 - 石巻 - 女川間で仙石東北ライン直通列車に使用。

過去の車両

キハ28・キハ58形気動車は快速「南三陸」のキハ110系への置き換えに伴い、2007年6月末で定期運用から撤退した。なお、撤退前は快速「南三陸」関連以外に石巻線内普通列車（非ワンマン運用）にも比較的多く充当されていた。

キハ40・48形気動車は石巻線運用のキハ110系への置き換えに伴い、2015年5月29日で定期運用から撤退した[29]。