在日本，鐵路是不可或缺的城際交通工具。第二次世界大戰前，日本已經著手研究「子彈列車」計劃，利用高速的蒸汽火車來往東京和下關，更於1940年開始著手興建新線，但之後在1943年因戰局惡化而停建。
至1950年代，連接東京、名古屋、大阪等日本三大都市的東海道本線已經呈現運量飽和。同時，採用窄軌規格的東海道本線並不能提供快速的服務；加上東京成功爭取到1964年夏季奧運的主辦權，興建一條新的快速鐵路迫在眉睫。當時的日本國鐵總裁十河信二曾經提出，要將東京到大阪之間的路程從8個小時縮短到兩個小時。日本國鐵於是利用當時興建子彈列車時殘留的設施，於1959年開始興建標準軌新線，總經費達3800億日圓，修建過程中，工程屢次追加修建預算，一度引來了諸多媒體的批判。最後，此新線在1964年東京奧運開幕前及時開業，成為日本以及全世界第一條高速鐵路；身為該鐵路線倡議者的十河信二也因此被稱作「新幹線之父」和「世界高速鐵路之父」。此新線在計劃階段時，原暫時命名為「東海道新線」，後來決定以「新幹線」這個日本國有鐵道內部對戰前「子彈列車」計畫的稱呼，命名為「東海道新幹線」。日本國鐵分割民營化時，東海道新幹線全線被分割到JR東海名下，因而為JR東海帶來了巨額的財政收益，該公司有近九成的營收來自這條新幹線。經過多次提速，目前（2016年）由東京至新大阪最快只需要2小時22分。
東海道新幹線啟用後，已成為日本東西部運輸的大動脈。其每日開行列車336次、每日運輸人次約45萬人、年間運輸人次約1.65億人次(2016年)，乃世界鐵路運輸服務的重要典範之一。
通車前
1956年5月10日 - 日本國鐵對東海道新幹線進行實現可行性研究。
1958年12月19日 - 建設工程被批准。
1961年5月1日 - 世界銀行就此線計劃批准8000萬美元貸款，年利率5.75厘，預計20年後全數償還。
1962年3月15日 - 開始鋪軌。
1962年5月 - 鴨宮示範線建設完成。
1962年6月 - 開始在鴨宮示範線不載客試車。
1963年3月30日 - 在鴨宮示範線上進行速度試驗，達致時速256公里。
1964年7月1日 - 東京至新大阪全線路軌鋪設完成，並於川崎進行鋪軌結束儀式。
1964年7月25日 - 開始全線試營運。
國鐵時代
1964年10月1日 - 正式通車。通車當時只有回聲號（こだま，漢字寫為「木靈」）及光號（ひかり）兩種列車等級，使用車輛為0系，最高營運速度是每小時200公里，光號由東京至新大阪需要4小時，回聲號需要5小時。當時共啟用東京、新橫濱、小田原、熱海、靜岡、濱松、豐橋、名古屋、岐阜羽島、米原、京都、新大阪12站, 採用1-1時刻表（1小時1班光號及1班回聲號）。
1965年4月20日 - 靜岡縣發生6.1級地震，靜岡市附近山泥傾瀉。
1965年10月1日 - 採用2-2時刻表。
1965年11月1日 - 因地基穩定，最高營運速度提高至每小時210公里。光號由東京至大阪所需時間減至3小時10分，回聲號減至4小時。
1967年10月1日 - 採用3-3時刻表。
1969年4月25日 - 三島站啟用。
1972年3月15日 - 與當時新開業的山陽新幹線（當時通車路段為新大阪至岡山之間）原車直行（直通運行）。採用4-4時刻表。
1973年9月1日 - 東京的大井車輛基地啟用。
1975年3月10日 - 配合山陽新幹線通車至博多，原車直行路段亦延伸至博多。
1985年3月14日 - 採用6-4時刻表。
1985年10月1日 - 100系開始投入東海道新幹線營運。
1986年11月1日 - 最高營運速度提高至每小時220公里，光號由東京至大阪所需時間減至2小時56分。
JR東海時代
1987年4月1日 - 隨著國鐵分割民營化，東海道新幹線改由JR東海營運。
1988年3月13日 - 新富士、掛川及三河安城站啟用。
1989年3月11日 - 採用7-4時刻表。
1992年3月14日 - 希望號（のぞみ）開始投入營運，使用車輛為新的300系，同時最高營運速度亦提升至每小時270公里。希望號全線營運需時2小時30分。
1993年3月18日 - 採用1-7-3時刻表（首位數字為希望號）。
1996年3月16日 - 採用2-7-3時刻表。
1999年3月13日 - 700系開始投入東海道新幹線營運。
1999年9月18日 - 做為新幹線開山祖師的0系退出東海道新幹線服務。
2001年10月1日 - 採用3-6-3時刻表。
2003年9月16日 - 100系退出東海道新幹線服務。
品川站啟用後
2006年3月18日 - 引入數位式ATC-NS號誌系統。
2007年7月1日 - N700系列車投入東海道新幹線營運，希望號由東京到新大阪行車時間再減至2小時25分。
2009年3月14日 - N700系列車上開始提供無線網絡服務。同日採用9-2-2時刻表。
2010年2月28日 - 500系列車退出東海道新幹線服務。
2010年3月13日 - 直通山陽新幹線的希望號全部採用N700系列車。
2012年3月16日 - 最早用於希望號的300系列車退出東海道、山陽新幹線服務。
2013年2月8日 - N700A列車開始營運。
2013年3月16日 - 新大阪站27號月台啟用。
2015年3月14日 - N700A列車最高時速提昇至時速285公里（希望號班次啟用23年來首次提速），全程行車時間預計再縮短3分鐘至2小時22分。
2015年6月30日 - 從東京開往新大阪的225次希望號列車，行駛在小田原市內路段時，一名男性乘客突然在第1車廂內淋油自焚當場身亡，同時造成同車廂內一名女性吸入過多濃煙傷重不治。
2017年12月11日 - 從博多開往東京的34次希望號列車，在行駛時發現列車出現異常，在名古屋站停靠時進行緊急檢查，發現車輛下方發現漏油，決定列車停駛；之後又進行檢查，確認第13車廂的轉向架出現裂縫。運輸安全委員會介入調查後，認為列車若繼續行駛有出軌之虞，因此判定該起事故為「嚴重事件」（重大インシデント），是新幹線開通以來首例。
2018年6月9日 - 由東京開往新大阪的265次希望號列車（當日往新大阪末班車），新橫濱站開車後於綠色車廂發生隨機殺人事件，一名22歲無業男子以柴刀及水果刀刺向其他乘客，結果於小田原站緊急停車。該男子被逮捕，事件做成一死兩傷。
2019年5月至6月間 - 新型動車組N700S系於東海道新幹線米原至京都段進行高速測試，最高運行速度達到362km/h，刷新東海道新幹線列車運行最高速度。[12]N700S系預計2020年7月正式投入運營。
2020年3月8日 - 700系列車計劃於此日舉辦告別儀式，退出東海道新幹線服務。但受新型冠狀病毒疫情影響告別班次和紀念式典取消。因此700系列車最後一班商運車輛任務已於3月1日完成。自此各班次全面由N700系列車營運。
2020年7月1日 - N700S系列車正式投入營運，首發車擔當「希望1號」從東京站出發開往博多站。
距離（實際距離）：515.4公里（營業距離為552.6公里）。
東海道新幹線於起初被視為東海道本線（在來線）的新增軌道（複複線），因而實際距離與營業距離有較大差別。
站數：17個（包括起終點站）
東海道新幹線單獨站2個（在來線連同其他公司管理的車站共10個）。
信號場數：2個
複線路段：全線
運行方式：按照車內信號的ATC方式
保安裝置：按照車上主體型數碼式的ATC-NS
2006年3月為止按照地上主體型採用模擬式的ATC-1型。
道床：有碴軌道
為了緊急時期，設置了新幹線第二綜合指令所。
列車運行管理系統：新幹線運行管理系統（通稱 COMTRAC：Computer aided Traffic Control System）
路線結構組合：路基 53%、橋梁 11%、高架橋 22%、隧道 13%
東京站－岐阜羽島站間為新幹線鐵道事業本部直轄，米原站－新大阪站間為其下部組織關西支社管轄。
目前東海道新幹線有三種列車行駛：
希望（のぞみ，Nozomi）：擔任由東京至新大阪以及進入山陽新幹線的特快列車（東海道新幹線內中途只停東京、品川、新橫濱、名古屋，京都及新大阪）。大部份班次均為此類列車，每小時最多10班。
光（ひかり，Hikari）：擔任由東京至岡山（部份會到達新大阪）的快速列車，比希望號停車稍多。每小時2班。
木靈（こだま，Kodama）：又稱回聲。擔任由東京至新大阪的各站均停列車，每小時2班。唯一沒有與山陽新幹線進行直通之班次。
現役車輛
N700系：現時東海道新幹線的主力車輛，服務希望號、光號及木靈號班次。
過去使用車輛