Токайдо-синкансэн изначально проектировалась в 1940 году как отдельная линия железной дороги, рассчитанная на скорость в 150 км/ч, что было на 50 % быстрее самого быстрого экспресса того времени. Начало Второй мировой войны застопорило проект в самом его начале, хотя уже было прорыто несколько тоннелей, которые были позже использованы. Так как линия проходит через три крупнейшие агломерации в Японии, она является и наиболее загруженной.
На линии имеется три вида маршрутов (в порядке от самого быстрого до самого медленного): «Нодзоми», «Хикари» и «Кодама». Большинство поездов продолжает движение по Санъё-синкансэну, следуя до станции Хаката в Фукуоке.
На линии работают следующие типы поездов, состоящие из 16 вагонов, управляемые компаниями JR Central и JR West:
Первый поезд Хикари в 1964 году преодолел путь от Токио до Осаки за 4 часа. В 1965 году время было сокращено до 3 ч. 10 мин. С введением нового скоростного маршрута Нодзоми в 1992 году, время в пути составило 2 ч. 30 мин., а с введением на линии новых поездов N700 в 2007 году — до 2 ч. 25 мин. По состоянию на 14 марта 2015 года, после увеличения скорости до 285 км/ч, время в пути составляет 2 ч. 22 мин. С 14 марта 2020 года время в пути составляет 2 ч. 21 мин.
По состоянию на март 2008 года поезда Хикари проезжали от Токио до Син-Осаки, примерно, за три часа, а поезда Кодама со всеми остановками — за четыре.