岐阜県に入り木曽川と分かれると、線形が良くなり、徐々に沿線も宅地化が進んでくる。盆地や台地を頻繁に上り下りし、庄内川の上流、土岐川が並行するようになる。多治見駅を過ぎ、県境付近の渓谷を抜け、愛岐トンネルを抜けると愛知県に入り、愛知環状鉄道と接続する高蔵寺駅を過ぎると完全に濃尾平野内の名古屋都市圏に差し掛かる。次の神領駅には車両基地（神領車両区）があり、春日井駅を過ぎたあたりから、次第に都会の喧噪に引き戻される。庄内川と矢田川を越え、日本唯一のガイドウェイバスの起点がある大曽根駅を過ぎる。なお当駅を経由しナゴヤドームへ向かう人も多いため、ここから名古屋駅までの区間は試合のある時間帯は非常に混雑する。また大曽根 - 名古屋間の各駅で名古屋市営地下鉄の各線と接続するため相互間の利用も終日にわたって多い。金山駅で東海道本線と合流、そのまま名鉄名古屋本線を挟んで並走しながら程なくして両者の下をくぐり、南西から来る関西本線と合流すると、当線の終点である名古屋駅に到着する。

なお中央本（西）線の列車往来頻繁区間は名古屋駅 - 中津川駅間（特に名古屋駅 - 高蔵寺駅間）である。