長万部駅と岩見沢駅の両端で函館本線と接続している路線である。

現在、全線を通して運転される旅客列車は無い。
長万部駅から千歳線と接続する沼ノ端駅までの間は札幌発着の特急列車が多く経由する区間となっており、札幌と函館を結ぶ動脈の一部となっている。
このうち室蘭駅 - 東室蘭駅 - 沼ノ端駅間は電化されている。
その一方で、沼ノ端駅 - 岩見沢駅は優等列車の運転が無く、ローカル輸送が中心となっている。
JR貨物による貨物列車は支線を除く全線で運転されている。

白老駅 - 沼ノ端駅間 28.736kmの区間は日本最長の鉄道直線区間である。

長万部・東室蘭両側から建設が進められ、昭和3年に全通。
急勾配のある函館本線に代わるバイパス線と、鉄鉱石を室蘭の製鉄所へ輸送する目的があった。
昭和40年代から50年代にかけて線路の改良と複線化が進められ、昭和61年11月のダイヤ改正では札幌・函館間の特急・急行列車が全列車室蘭本線経由となった。

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この区間は明治25年に北海道炭鉱鉄道株式会社経営の路線として現東室蘭−岩見沢間が開通した。
さらに、明治30年には東室蘭−室蘭間も開通し、明治39年に国有化された。

函館本線の開通により、函館−札幌間の輸送は倶知安経由がメインとなるが、石炭の積み出しでは室蘭港が大きな地位を占めていたため、貨物輸送が盛んとなった。

その後石炭輸送が衰退するものの、函館からの特急が東室蘭・苫小牧経由で運転を開始し、旅客輸送の幹線へと転換した。
昭和55年10月には室蘭−沼ノ端間が電化され、道南と道央を結ぶメインルートとなった。

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明治25年8月1日に東室蘭−岩見沢間が北海道炭礦鉄道の路線として開業。
前年に同社が開業した岩見沢−歌志内間とつながって，石狩炭田から室蘭港への石炭輸送を担ってきた。
大正時代には苫小牧−追分間の複線化が進められた。
その後室蘭本線から分岐していた夕張鉄道が昭和50年10月、万字線が昭和60年3月の廃止。
昭和56年10月には、道央と道東を結ぶ石勝線が、追分で室蘭本線と交差する形で開通した。

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