JR 히가시니혼의 간선 철도 노선. 일본 도쿄도 치요다구에 있는 도쿄역과 이와테현 모리오카시에 있는 모리오카역을 잇는다.
열차할당기호는 M, D, Y

1883년 우에노 - 쿠마가야 구간이 사철 일본 철도에 의해 개통되면서 시작되었으며, 1891년 아오모리역까지의 전 구간이, 1925년 도쿄 - 우에노 구간이 완공되어 현재의 형태가 완성되었다.

2002년 12월 1일 도호쿠 신칸센 모리오카 - 하치노헤 연장으로 이와테 현 구간인 모리오카역 - 메토키역 구간이 IGR 이와테 은하철도로, 아오모리 현 구간인 메토키역 - 하치노헤역 구간이 아오이모리 철도로 이관되었다. 이러한 제3섹터 구간으로 도호쿠 본선은 두 동강이 난 채 운영되다가, 2010년 12월 도호쿠 신칸센이 신아오모리역까지 완전 개통되며 남아있던 구간인 하치노헤역 - 아오모리역도 아오이모리 철도로 이관되었다.

도카이도 본선과 산요 본선이 일본 열도를 동서로 이어주는 노선이라면, 이 노선은 큐슈의 가고시마 본선처럼 남북을 길게 잇는 노선. 철도요람상 기점은 도쿄역이지만, 근교 운송이나 특급, 침대특급 등의 장거리 열차는 우에노역에서 출발하곤 하였다. 이후 도호쿠 신칸센의 등장으로 장거리 열차의 출발은 도쿄역으로 하나 둘씩 옮겨갔고, 도쿄 - 우에노 간의 열차선인 우에노도쿄라인의 등장으로 근교 운송의 기점 또한 도쿄역으로 옮겨졌다. 또한 같은 회사의 시즈오카, 나고야, 오사카 등의 배후지가 있는 주요 간선과 과 달리 센다이 이외의 이렇다 할만한 대도시가 없다보니 취급이 더 좋지가 않은 측면이 있다.

도쿄 전차특정구간에 해당하는 도쿄역 - 오미야역 사이에는 단거리 통근형 전동차가 열차선을 백업해주는 형태로 운행하고 있다. 이 중 도쿄역 - 타바타역까지는 2복선으로 되어있어 각각 야마노테선과 케이힌토호쿠선이 이용하고 있다. 그 중 내선이 야마노테선, 외선이 케이힌토호쿠선에 해당한다.

케이힌토호쿠선과 함께 2복선으로 병주하는 구간이다. 모든 역에서 케이힌토호쿠선과 방향별 2복선으로 되어있어, 이 구간 내에서만 움직인다면 어떤 것을 타도 상관이 없다. 도쿄역에서 도카이도 본선의 전차선과 직결되어 시나가와역까지 이어지며, 타바타역에서 선로 요람 상의 야마노테선과 직결하여 신주쿠역 을 경유하여 다시 시나가와역으로 돌아오는 순환선의 형태를 이루고 있다.

통근 5방면 작전에 따라 사이타마현의 오미야역까지 2복선화가 되었고, 그 전차선이 케이힌토호쿠선이다. 도쿄역에서 도카이도 본선의 전차선과 직결되어 요코하마역까지 이어진다.

한편, 우에노역 - 아카바네역 구간은 도호쿠 본선의 근교형 열차가 도호쿠 본선으로 달리지 않고(!) 바로 옆의 오쿠 지선으로 달리며 본선으로는 케이힌토호쿠선의 열차가 달린다. 중간에 오쿠역이 있는데 도호쿠 본선과 오쿠 지선 사이에는 거대한 오쿠 차량센터(동차, 객차, 화차 보관)와 타바타 운전소(기관차 보관)가 위치해 있고, 옆엔 신칸센 정비창도 있다.

도호쿠 신칸센의 사이타마 통과 구간에 대한 보상으로 지어진 병행 재래선이다. 도호쿠 본선의 지선에 해당한다. 자세한 내용은 사이쿄선 참조.

도쿄역에서 우에노역 까지 구간의 열차선에는 우에노도쿄라인 이라는 애칭이 붙어있다. 도호쿠 신칸센의 개통으로 끊어졌던 열차선의 미싱 링크를 다시 연결해주어, 쇼난신주쿠라인과 함께 도쿄 종관 노선을 이루고 있다. 이 구간을 경유하는 열차에는 우에노도쿄라인 경유 라는 표시가 붙는다.

우츠노미야선이 선로 용량 부족으로 인해 도쿄역까지 진입하지 못하고 우에노역에서 시·종착했는데, 조반선과 함께 우에노역에서 끝나버리는 이 노선 때문에 JR 히가시니혼 관할 최악의 혼잡률 구간이 바로 야마노테선의 우에노역 - 오카치마치역 구간이었다. 그래서 이를 해결하기 위해 도호쿠 본선 열차선인 우에노도쿄라인이 다시 부활하였고, 이후 우츠노미야선과 도카이도선은 우에노도쿄라인을 통해 직결운행하고 있다.

우에노역 - 쿠로이소역 구간에는 우츠노미야선이라는 애칭이 붙어있다. 이 구간에서는 도호쿠 본선이라 안내하지 않고 애칭인 우츠노미야선이라고 안내한다. 도카이도선 게이한신구간에서 도카이도선이라 하지않고 JR 교토선, JR 고베선이라고 말하는 것과 같은 이유.

쿠로이소역을 경계로 남쪽은 직류 전철화, 북쪽은 교류 전철화되었기 때문에 이 역에서 운행계통이 완전히 바뀐다.

코리야마~쿠로이소
원래 이 구간도 센다이~쿠로이소 계통으로 계속 쭉 이어져 왔으나, 쿠로이소역 구내에 있었던 절연구간을 쿠로이소-타카쿠 사이로 옮기게 되면서 이 구간만을 운행하는 열차와 계통을 따로 신설하게 된다.

따라서 절연구간을 통과해서 다닐 수 있는 직교류겸용 전동차인 E531계를 추가로 만들어서 투입한다. 한동안 비첨두 시간대에는 키하 110계(2량편성)으로 운용하였으나, 2020년 3월부터는 모든 시간대에 E531계로 운행한다. 첫막차 시간대에는 시라카와역까지 운행한다.

기본적으로 701계 전동차와 E721계 전동차가 주로 다닌다. 한시간에 2~3대 정도 오며 센다이 근교에는 조반선 열차와 센다이 공항 엑세스선도 다닌다. 주로 4량 1/2편성으로 운행되며 통근시간에는 8량까지 늘리기도 하다.

센다이 공항 엑세스선 직통차는 원맨운전을 하며, 조반선과 도호쿠선 차장 탑승은 할때도 안할때도 있다.(출퇴근과 붐비는 시간은 차장 탑승)

2021년 3월 13일부로 센다이 시티 래빗이 폐지된다.

E721계, 701계가 주력이며 주로 2~4량으로 편성된다. 여기까지는 대체로 차장 탑승을 하는듯.

그나마 남은 도호쿠 본선 노선중에 가장 적자가 나는(..) 구간. 701계 전동차가 주력이며 보라색을 띤 도장으로 운행중이다. 30분~1시간당 한대로 운행하며 2량에다가 원맨운전이다.(....) 처우가 카마이시선 직결 열차는 키하 110계 동차로 운행한다.

신칸센 연장으로 인하여 메토키역까지 IGR 이와테 은하철도, 그 이후는 아오이모리 철도에 이관되었다.

이 구간을 지날 때에는 JR과 관련된 패스(JR패스, 청춘 18 티켓 등)를 가지고도 무료로 이용할 수 없다. 단, JR패스 및 홋카이도&동일본 패스의 경우 통과를 전제로 하는 경우에는 무료 이용이 가능하다. JR 이스트 패스는 제3섹터 구간도 무료 이용 가능하며, 청춘 18 티켓은 아오모리역 ~ 노헤지역, 아오모리역 ~ 하치노헤역, 노헤지역 ~ 하치노헤역 간을 이용하는 3가지 경우에 한해서만 이용이 가능하다. [6]

사이타마 방면의 살인적인 통근 혼잡도때문에 이 구간에서는 화물선까지 모조리 여객 열차 운행에 투입되고 있다. 쇼난신주쿠라인 열차가 이용하며, 타바타 신호장에서 야마노테 화물선에 직통운행한다. 자세한 내용은 도호쿠 화물선, 쇼난신주쿠라인 문서 참조.

도호쿠 신칸센 개통 이후로는 도호쿠 본선만을 달리는 장거리 특급 열차는 야간 열차를 제외하곤 존재하지 않았고, 그나마 도호쿠 본선을 경유하던 홋카이도 방면 특급 열차가 하치노헤역에서 출발을 했었지만 이것마저 신칸센 연장 개통으로 신아오모리역으로 쫓겨났다(...).

2015년 3월 14일 개정으로 세이칸 터널의 신칸센 대응 공사를 위해 특급 "호쿠토세이" 등의 열차가 임시열차로 격하되었고, 2015년 8월부터는 완전히 운행을 종료할 예정이다. 해당 노선을 완주하는 정기 특급 열차는 이제 완전히 전멸하였고, 남은 것은 임시 특급 열차인 카시오페이아 하나만 남았는데...

이것도 2016년 3월 홋카이도 신칸센 신아오모리 ~ 신하코다테호쿠토 구간 개통에 따라 폐지가 확정되었다. 카시오페이아의 경우 고급 침대특급이라는 이미지가 있어 임시 및 관광용으로라도 존속하지 않겠냐는 의견이 많았으나, 이를 운행하면 심야 선로점검 등의 정비시간을 확보하기 어려워짐에 따라 결국 폐지하는 것으로 결정되었다.

현재 도호쿠 본선을 달리는 특급열차는 닛코, 키누가와, 나리타 익스프레스, 그리고 타카사키선 및 조반선 직통 열차 정도 뿐이며 센다이역 이북으로는 정기 특급 열차는 단 한 대도 남지 않았다.

도호쿠 본선/역 목록 참조.