其路線名稱源自營運上的起訖點、縣廳所在地「仙」台與「山」形兩地之地名字首。全長58.0公里（仙台～羽前千歲間）的仙山線雖然只通行至羽前千歲，但在實際運作上，是與奧羽本線共用羽前千歲與山形市的主車站、山形車站間的路段。這段區間內有非常多的平行路線，但由於主要的山形新幹線/山形線是採1,435毫米標準軌設計，因此特別鋪設獨立的1,067毫米軌距路線給仙山線使用，除此之外，在北山形～山形間的路段，則是與左澤線共用。
仙山線全線皆為單線配置，因此在大部分的車站都設置有複數以上的路軌以便利列車交會，行控中心設於仙台（仙台輸送指令室）。此線使用20,000伏特、50赫茲的交流電，於1955年在部份路段試用，1957年全線啟用，為日本最早的交流電鐵路。
此線是日本第一條以交流電營運的路線（詳情參見「#交流電發祥地」一節）。
起點的仙台站可轉乘東北新幹線與東北本線，終點的羽前千歲站可轉乘奧羽本線。所有列車都停途經羽前千歲直通至奧羽本線的山形站，因此作為運行系統的仙山線會包括奧羽本線羽前千歲站－山形站之間一段。同一路段還有軌間不同的的山形新幹線／山形線（軌距1,435毫米）的獨立單線，為仙山線的鋪設打下基礎，北山形站－山形站之間與左澤線列車共用。
全線位於仙台市內與山形市內，只有與東北本線的分岔部分通過仙台市宮城野區，奧新川站－仙山隧道之間部分通過太白區，但都沒有設置車站、信號場等設施，車站全部位於仙台市青葉區內與山形市內。中途沒有通過其他市町村直接彼此連結縣廳所在地，而且完全只鋪設在兩座城市之間的JR路線就只有仙山線一條[注釋 1]。
2003年（平成15年）起，連結仙台市都心部與愛子副都心的仙台站－愛子站間成為IC卡乘車券「Suica」的仙台地域。2014年（平成26年）4月1日起全線納入大都市近郊區間新設的「仙台近郊區間」，作並站、山寺站可以使用IC卡乘車券「Suica」[1]。
：特定都區市內制度下屬於「仙台市內」的車站- 停靠站
- 普通…除信號場外停靠所有車站
- 快速…●：所有列車停靠、◆・▲：一部分停靠（▲為只限上行1班）、｜：通過
- 軌道 … ◇・∨・∧：可以進行列車交會、｜：無法進行列車交會
- 仙山線內全線單線，奧羽本線路段的此路線、左澤線用的狹軌也是單線。
- ^ 常磐線的正式終點是東北本線岩沼站，運行系統上直通至仙台站。
- ^ 左澤線的正式起點是北山形站，但運行系統上直通至山形站。
- ※：羽前千歲－山形之間是奧羽本線（山形線）
- 仙台－東照宮之間與東北本線的分岔部分通過仙台市宮城野區、奧新川－面白山信號場之間通過仙台市太白區，但不在該區設站。
- ^ Suicaの一部サービスをご利用いただける駅が増えますPDF - 東日本旅客鉄道、2013年11月29日。
- ^ 2.0 2.1 2.2 国土交通省鉄道局監修『鉄道要覧』平成28年度版、電気車研究会・鉄道図書刊行会、p.28
- ^ 『停車場変遷大事典 国鉄・JR編』JTB 1998年
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