京阪神都市圏では、神戸駅以西の山陽本線と一体化した運転系統となっており、一部を除きほとんどの列車が同線へ直通する。また米原駅から北へ伸びる北陸本線の直流電化区間とも一体化しており、JR東海の大垣駅への直通は早朝・深夜の普通列車のみに限られている。

京都駅 - 大阪駅 - 神戸駅間で競合する阪急電鉄京都線・神戸線、阪神電気鉄道本線などに対抗するため、新快速・快速列車が頻繁に運転されている。昼間時のダイヤでは京都駅以西で毎時新快速4本・快速（京都駅または高槻駅以東では普通列車となる）4本の体制となっており、そのうち新快速1本は山科駅から湖西線へ直通、新快速1本と普通列車2本が野洲駅発着、残りの普通列車2本が米原駅発着、新快速2本は北陸本線へ直通する。朝夕には草津線への直通列車もある。このほか、京阪神緩行線と呼ばれる4扉の近距離普通電車が昼間時で毎時8本運転され、うち4本が京都駅以西での運転、残りの4本は高槻駅以西での運転で尼崎駅から福知山線（JR宝塚線）へ直通、代わってJR東西線から毎時4本が神戸方面へ直通する。これらは尼崎駅で相互接続が図られている。複々線や良好な線形といった条件から、並行私鉄線と比較してJRは優位となっている。

なお上記以外に山科駅 - 京都駅間では京都発着の湖西線列車、大阪駅 - 尼崎駅間は大阪発着の福知山線列車が乗り入れている。これらについては各路線の記事を参照。