在東海道新幹線取得成功及日本國有鐵道繼於1967年開始興建山陽新幹線後（1975年全線通車），再於1970年決定將新幹線向北延伸，於1971年開始興建與東北本線平行的東北新幹線（同時亦開始興建上越新幹線）。
日本前首相（開始興建新幹線前還是大臣）田中角榮提出的「日本列島改造論」更令兩條新幹線順利興建。但由於用地徵收困難（沿線地方一般為農田，而當地農民一般都不願意賣地予政府）以及多次隧道事故，導致原定6年的建築期延長將近多一倍，達11年之多。
1982年大宮站至盛岡站開業，及後經過多次延伸達到現時規模。
時至今日，東北新幹線已經成為一條來往關東及本州北部的重要客運鐵路線。同時，北海道新幹線及兩條「迷你新幹線」——山形新幹線及秋田新幹線的列車亦會進入東北新幹線直駛至東京。
2010年12月4日起，八戶站至新青森站間的路線通車，標誌著東北新幹線正式全線通車。東京至新青森最短時間為3小時10分。 2013年3月16日起，JR東日本將東北新幹線的最高速度提升至320km/h，東京站至新青森站間的行車時間更縮短為2小時59分。
1971年11月28日：開始興建。
1973年11月13日：確立盛岡至新青森路段興建計畫，列為整備新幹線
1979年：開始於小山附近進行試車。
1981年1月14日：於大宮站進行鋪軌完成儀式。
1982年6月23日：大宮至盛岡站間試營運性質通車（暫定開業）。
通車時設定的班次有山彥號（やまびこ，特快）及青葉號（あおば，各站均停），用車為200系。最高營運速度是每小時210公里。當時大宮站至上野站之間以「新幹線接力號」連結。
1982年11月15日：本線正式通車，同日上越新幹線通車。
1985年3月14日：東京方向的終點站由大宮延長至上野站。大宮至盛岡段速度提升至時速240公里。同時，水澤江刺及新花卷站開幕。
1990年3月10日：栗駒高原（くりこま高原）車站開幕。
1991年6月20日：東京方向的終點站由上野延長至東京站。
1995年12月1日：那須野號（なすの）開始投入營運。
1997年3月22日：秋田新幹線開幕。部份列車與使用E3系的小町（こまち）號連結。同時，E2系開始投入東北新幹線營運下時最高營運速度亦提升至每小時275公里。
1997年10月1日：青葉號停止服務。
1997年12月20日：E4系開始投入東北新幹線營運。
2010年12月4日：八戶站至新青森站間的路線通車，標誌著東北新幹線正式全線通車。
2011年（平成23年）
3月11日：全線因受地震的影響而停駛。該次地震造成全線許多路段路線、橋梁及電車線的設備損壞，地震發生當時並有數列行駛中的列車在路線上受困。此外有部分車站的設備損壞，如仙台站的月台倒塌等。
4月13日：再次恢復盛岡站—新青森站間路線。
4月23日：再次恢復一之關站—盛岡站間路線。
4月25日：恢復福島站—仙台站間路線。
4月29日：恢復仙台站—一之關站間路線，至此東北新幹線震後全線恢復運營。然而，因東北地區缺電，列車需要慢速行駛。
9月23日：恢復地震前的列車安排。
11月18日：隨著E5系列車的增多，200系退出本線運營，轉由上越新幹線繼續運營（大宮站以南除外），至此200系在東北新幹線29年的生涯到此結束。
2012年（平成24年）
2013年（平成25年）
2016年（平成28年）
2020年（令和2年）
10月6日：盛岡至新青森區間部分路段開始安裝隔音設施，為期約7年，屆時此區間最高速度將提升到320km/h。同時上野至大宮區間安裝隔音設施工程完工，最高速度提升到130km/h。
2021年（令和3年）
營業主體：東日本旅客鐵道（JR東日本）
建設主體
東京站－上野站間：新幹線鐵道保有機構
上野站－盛岡站間：日本國有鐵道（國鐵）
盛岡站－八戶站間：日本鐵道建設工團（鐵建公團）
八戶站－新青森站間：獨立行政法人鐵道建設、運輸施設整備支援機構（鐵道、運輸機構）
路線距離：東京站－新青森站間（實際距離）674.9 公里（營業距離為713.7公里）
站數：23個（包括起終點站及東北新幹線單獨站6個）
信號場數：1個
複線路段：全線
運轉指令所：JR東日本新幹線運行本部 綜合指令室
路線結構組合
最高速度
東京站－上野站間：110公里/小時
上野站－大宮站間：130公里/小時
大宮站－宇都宮站間：275公里/小時
宇都宮站－盛岡站間：320公里/小時
盛岡站－新青森站間：260公里/小時（未來將提速至320公里/小時）
高架電纜吊架方式
東京站－上野站間：東京支社
大宮站－那須鹽原站間：大宮支社
新白河站－栗駒高原站間：仙台支社
一之關站－新青森站間：盛岡支社
隼（はやぶさ，Hayabusa，取遊隼的極高飛行速度而得名）：行駛全線之間（東京至新青森，一部份延駛至新函館北斗，少部份則只服務至仙台或盛岡）的特快列車。大部份班次只停東京、上野、大宮、仙台、盛岡及盛岡以北的車站。[8]大部份班次會與小町連結至盛岡站。
疾風（はやて，Hayate，取其嶄新的速度感）：定期列車只有盛岡~新函館北斗間與北海道新幹線區間新青森~新函館北斗間各1個往返，僅有臨時列車可能行駛東京~新青森間。2014年全面不再與小町號列車併結。
山彥（やまびこ，Yamabiko，山中迴音之意）：擔任東京至仙台或盛岡之間的列車。約一半班次為至仙台的列車。大部份到達盛岡的列車仙台至盛岡之間各站均停。部份E2系班次會與翼連結至福島站。
那須野（なすの，Nasuno，因服務那須地區得名）：擔任東京至那須鹽原（部份到郡山）之間各站均停的列車。
E5系、H5系：隼號與疾風號定期班次必使用本型車行駛、部分山彥號及那須野號班次亦由本型車行駛(盛岡到開的班次必使用本型車行駛)，部分班次與E6系連結行駛。
E2系：目前僅行駛仙台以南的山彥號班次及那須野號的班次，部分班次會與E3系(1000番台、2000番台)連結運行。
E3系、E6系有時也會在東北新幹線擔任部份山彥號及那須野號的班次。
E1系：第一代雙層列車，通稱E1系Max。曾擔任Max山彥號或Max那須野號的班次，因為是12編組且不能與E3系連結，故1998年12月8日退出東北新幹線服務。最後於2012年10月28日退役。
E4系：繼承E1系的第二代雙層列車，通稱E4系Max。曾擔任Max山彥號或Max那須野號的班次，有時會與E3系連結運行，或兩列E4系重連。2012年9月29日退出東北新幹線服務。