基本的に普通列車のみの線内運転で、運行系統としては鳴子温泉駅を境に東西に分割されているが、少数ながら全線を通して運転される列車も設定されている。かつては、全線を通して走る普通列車が多く、陸羽西線余目駅（一部はさらに羽越本線酒田駅）・石巻線女川駅への直通列車も多数存在したが、次第に運行区間の細分化が進んで現在の形態になっている。このほか、小牛田駅 - 古川駅間の区間列車（このうち1本は石巻線石巻始発）が設定されている。
朝の小牛田駅 - 古川駅間の1往復を除く全ての列車でワンマン運転が実施されており、専用の塗装を施された小牛田運輸区所属のキハ110系（キハ111形・キハ112形、またはキハ110形）が2両編成で使用されている。なお、小牛田駅 - 西古川駅間ではワンマン運転であってもすべての扉から乗り降りができる都市型ワンマン扱いである。キハ110系投入後も、石巻線からの直通列車やその折り返し列車（2014年時点で小牛田駅 - 古川駅間の1往復のみ）で東北地域本社色のキハ40形が使用されていたが、2015年5月30日の石巻線ダイヤ改正以後は定期列車のすべてがキハ110系での運転になっている。
小牛田駅に併設されている小牛田運輸区と新庄駅に併設されている新庄運転区にはそれぞれ蒸気機関車 (SL) の転車台が使用可能な状態で保存されており、両駅間において蒸気機関車の運行が可能である。
1999年の山形新幹線の山形駅 - 新庄駅間延伸に伴い新庄駅の構内配線が変わり、陸羽東線の列車は新庄駅での複数列車の進入ができなくなった。なお、新庄駅と鳴子温泉駅間の列車交換可能駅は最上駅のみであることと、最上駅を中心とする両駅の閉塞開通にはキハ110系でおよそ30分を要することから、以後、この区間の臨時列車入線には以下のような各種の工夫が見られるようになる。
2004年9月に蒸気機関車による臨時列車を運行した際は、定期列車の一部において新庄駅 - 鳴子温泉駅間を運休し、バス代行で凌いだ実績がある。
2007年9月8日・9日には「SL陸羽東線全線開通90周年号」が運転された。この時は8日が新庄駅から小牛田駅、9日は小牛田駅から新庄駅と、片往復の運行となった。特に9日の運行では、イベント臨時列車にもかかわらず小牛田駅発7時20分・新庄駅着10時49分のダイヤが引かれた。なお、定期列車には時刻変更等の影響はなし。
2007年10月27日から12月24日および2008年1月12日から2月24日の土曜・休日に運転の快速「湯けむりこがね2号」（新庄駅発11時34分）は、下り定期列車の時刻を最上駅から新庄駅までおよそ30分繰り下げ変更させたうえ、最上駅で交換している。
観光臨時列車
快速湯けむり号1999年から2005年まで運転された快速「湯けむり」については#「いでゆ」→「湯けむり」の節を参照
後述の「リゾートみのり」の後継列車として、2020年7月23日から仙台駅 - 新庄駅間で運転を開始した、指定席車を連結したキハ110による快速列車[22]。
停車駅は仙台駅・松島駅・小牛田駅・古川駅・岩出山駅・有備館駅・川渡温泉駅・鳴子御殿湯駅・鳴子温泉駅・中山平温泉駅・赤倉温泉駅・最上駅・瀬見温泉駅・新庄駅[22]。
2021年4月17日からは全車指定席とし「東北のまつり」（仙台七夕まつり、山形花笠まつり、福島わらじまつり）のラッピング[23][24]、2022年3月26日からは日本の鉄道開業150周年を記念して鉄道開業時の客車をイメージしたレトロラッピング[25][26]を施したキハ110で運行されている。
快速「湯けむり号」に使用されるレトロラッピング車両[27][25]
快速「湯けむり号」下り列車。鳴子温泉駅にて撮影。
快速「湯けむり号」東北夏祭りラッピング（左）[23][28]
快速「湯けむり号」の行き先表示。
快速「湯けむり号」種別表示が「臨時」となっている。
過去の観光臨時列車.mw-parser-output .thumbinner{display:flex;flex-direction:column}.mw-parser-output .trow{display:flex;flex-direction:row;clear:left;flex-wrap:wrap;width:100%;box-sizing:border-box}.mw-parser-output .tsingle{margin:1px;float:left}.mw-parser-output .theader{clear:both;font-weight:bold;text-align:center;align-self:center;background-color:transparent;width:100%}.mw-parser-output .thumbcaption{background-color:transparent}.mw-parser-output .text-align-left{text-align:left}.mw-parser-output .text-align-right{text-align:right}.mw-parser-output .text-align-center{text-align:center}@media all and (max-width:720px){.mw-parser-output .thumbinner{width:100%!important;box-sizing:border-box;max-width:none!important;align-items:center}.mw-parser-output .trow{justify-content:center}.mw-parser-output .tsingle{float:none!important;max-width:100%!important;box-sizing:border-box;align-items:center}.mw-parser-output .trow>.thumbcaption{text-align:center}}おもいで湯けむりSL湯けむり号（2010年）
