名古屋都市圏の豊橋駅 - 大垣駅間ではパターンダイヤとなっており、豊橋駅 - 岐阜駅間で名古屋鉄道名古屋本線と競合しているため、主要駅を結ぶ快速列車を重視した運行体系となっている。昼間は豊橋駅 - 大垣駅間で毎時4本の快速列車が運転されているが、時間帯によっては米原駅や浜松駅まで乗り入れる。普通列車は大府駅 - 岐阜駅間で毎時4本、豊橋駅 - 大府駅間では毎時2 - 3本の運転である（岐阜駅 - 大垣駅では快速列車が各駅停車の役割を担う）。朝夕には名古屋駅から武豊線内へ直通する快速列車も運行される。大垣駅 - 米原駅間は昼間毎時2本のピストン運行である。

支線である大垣駅 - 美濃赤坂駅間はパターンダイヤとなっておらず、2時間以上列車が運転しない時間帯がある（この区間は国鉄時代は朝夕のみの運行、土曜日に追加運行があった）。