湘南新宿线经过许多不同的路线，大宫站～大船站之间几乎都是以日本国有铁道（国铁）时代的货物线经过整备后予以旅客化的路线。大宫站～大船站间实际能称之为湘南新宿线的经过路线如以下的记述，路线名称为通称。 利用山手货物线的旅客列车在1980年代前半以前多半仅限于不定期列车、临时列车。
1959年9月起至1964年9月新宿站～日光站间运行不定期准急“中禅寺”。此外，在东北、上越新干线开业以前，于岁末年终等探亲交通尖峰季节，为了解决上野站发车列车不足的现象，东北本线、奥羽本线、上越线、信越本线方向的下行临时列车中的一部份由品川站始发，经过山手货物线～东北货物线来运转。由横滨方向往日光方向的修学旅行列车（集约临）等在品川站转换方向经过山手货物线、东北货物线运转。
1984年3月：东北货物线的大宫站～赤羽站间旅客化，平日早上交通尖峰时段的东北本线（宇都宫线的称呼是从1990年开始）、高崎线中距离列车之一部份运转经过货物线至赤羽站。
1985年9月30日：赤羽线的赤羽站～池袋站间做为埼京线运行开始。
1986年3月3日：前年开业的埼京线（大宫站～池袋站）往新宿站延长、山手货物线的池袋站～新宿站间旅客化。
1988年3月13日：由池袋站发车的东北本线、高崎线中距离列车由东北货物线经过山手货物线列车整日每小时1班运转开始。
1990年代：由高崎线、宇都宫线方向经过山手货物线往横须贺线、东海道线的直通临时列车“假期快速”运行开始。
1991年3月19日：“成田特快”运行开始。往新宿、池袋列车自横须贺线品川站开始经过品鹤线～山手货物线运转。
1995年12月1日：至池袋站为止的一部份宇都宫线、高崎线列车（主要为夜间）延长至新宿站发车，池袋站～新宿站间与埼京线同样于山手货物线上行驶。
1996年3月16日：埼京线往惠比寿站延伸，于山手货物线新设置涩谷站与惠比寿站。
1998年3月14日：假期快速“ビュー湘南”、“ビュー鎌仓”运行开始。
“ビュー湘南”是新宿站～平冢站、小田原站间、“ビュー鎌仓”是新宿站～镰仓站间、1日1往复以215系运转，自新宿站开始，经过线路为山手货物线～大崎支线～横须贺线。“ビュー湘南”是在横滨站东海道线月台发车、往东京方向转线。湘南新宿线开始后终止运行。
1998年12月8日：“成田特快”在池袋站发车列车的一部份经由东北货物线改延长至大宫站发车。 2001年9月21日：发表由横须贺线、东海道线经由新宿站往宇都宫线、高崎线直通的新路线，并决定将此一系统爱称定为“湘南新宿线”。
2001年12月1日：随着时刻表的调整开始运转，一天中25往复，为了将来可以在增加班次，开始进行池袋站北侧山手货物线与埼京线的立体交叉工程。
2002年5月：因为池袋站北侧山手货物线与埼京线立体交叉工程的影响，在工程结束以前，山手货物线大冢～池袋间靠近池袋的一部份区间为单线，当时的湘南新宿线时刻表便是以此工程而单线化的前提，因而影响时刻表的编成。
2002年12月1日：随着东京临海高速铁道临海线全线开通与大崎站的埼京线、临海线用月台的开始使用，全列车于大崎站靠站，同时以傍晚→夜间为中心湘南新宿线增发（计38往复），为了防止误乘，“湘南线”早上上行列车名改为“おはようライナー新宿”、傍晚下行列车改为“ホームライナー小田原”。
2004年6月6日：池袋站北侧山手货物线与埼京线立体交叉化工程完工，池袋站南侧与埼京线的平面交差消除，因此湘南新宿线列车可以大幅增班。
2004年10月16日：时刻表调整
湘南新宿线增发（38→64往复）以及全列车南北直通运转开始，运转时间带扩大至全日。
废止新宿站折返列车及宇都宫线、高崎线之池袋站、新宿站折返列车，同时削减一部份东海道线、横须贺线于东京站、横滨站发车列车及宇都宫线、高崎线于上野站发车列车，移往湘南新宿线。这样的调整使以静冈车辆区113系8辆编成（4辆x2连）运转的普通列车（于横滨静冈方向折返）消失。早上、夜间的增发时刻表有许多沿袭改正前宇都宫线、高崎线的池袋站、新宿站折返运转列车。
日间时段东海道线～高崎线系统列车中“特别快速”登场，在高崎线侧停车站也包含替换高崎线于上野发车之日间快速列车“アーバン”，东海道线侧则是为了确保东京发车电车中现况运转列数6班（3班热海发车普通电车、2班小田原发车普通电车、1本热海发车快速アクティー），以追加东京发车列车的形式于湘南新宿线增发。
大船发至大宫但未与宇都宫线直通的普通列车同一时间废止。
随着特别快速的登场，一部高崎线内快速电车的快速运转废止。
统一为全列车E231系连结绿色车厢2辆共15辆编成或10辆编成，一部份区间开始以120km/h运转。
2004年12月31日起至2005年1月1日实施限期的终夜运转，运行于高崎线～横须贺线直通系统，大崎站～大船站间全区间各站停车，但从此以后并没有再度实施，具有实验的性质，之后的终夜运转是在宇都宫线～横须贺线系统运行普通列车。
东日本旅客铁道（JR东日本）
山手线 埼京线
湘南新宿线
中央本线
中央线（快速）
中央、总武线（各站停车）
小田急电铁
小田急小田原线
京王电铁
京王线
京王新线 （直通都营地下铁新宿线）
都营地下铁
新宿线（站号S-01，直通京王新线）
大江户线（站号E-27）
东京地下铁
丸之内线（站号M-08）
另设有地下通道连接以下车站：
西武新宿站（西武新宿线）
新宿西口站（大江户线）
新宿三丁目站（丸之内线、新宿线）
东日本旅客铁道
■山手线
代代木站 - 新宿站 - 新大久保站
■埼京线、■湘南新宿线（所有列车）
涩谷站 - 新宿站 - 池袋站
■中央线（快速）
通勤特快（平日朝上行）
四谷站 - 新宿站 - 国分寺站
中央特快、青梅特快、通勤快速（平日下行）、快速
四谷站 - 新宿站 - 中野站（新宿开出的中央特快为三鹰站）
■中央、总武线（各站停车）
代代木站 - 新宿站 - 大久保站
小田急电铁
■小田原线
快速急行、急行、准急、区间准急
新宿站 - 代代木上原站
各站停车
新宿站 - 南新宿站
京王电铁、东京都交通局
■京王线
特急、准特急
新宿站 - 明大前站
急行、快速、各站停车
新宿站 - 笹冢站
■京王新线、都营新宿线
急行
初台站（京王新线） - （新线）新宿站（S-01） - 市谷站（S-04）（都营新宿线）
通勤快速、快速、普通
初台站（京王新线） - （新线）新宿站（S-01） - 新宿三丁目站（S-02）（都营新宿线）
都营大江户线
代代木站（E-26） - 新宿站（E-27） - 都厅前站（E-28）
东京地下铁
丸之内线
西新宿站（M-07） - 新宿站（M-08） - 新宿三丁目站（M-09）
