13 - 18番線 (東北・上越・北陸新幹線) は地上3階にある島式3面6線の高架駅。上りホームには基本的に13番線に上越・北陸新幹線、14番線に東北・山形・秋田新幹線。下りホームには基本的に17番線に東北・山形・秋田新幹線、18番線に上越・北陸新幹線が使用する。ここから上野方面は低速で走行するのに対し、下り新幹線はフルスピードで走行する。
東北・秋田新幹線は島式ホーム2面4線を有する高架駅で、新幹線ははやぶさ・こまちを含む全列車が停車する。半数のやまびこは当駅が終着であり、盛岡方面のやまびこ、一部のはやぶさ・はやては当駅から各駅停車となる。在来線と同様、発車メロディに仙台フィルが演奏、榊原光裕が編曲した「青葉城恋唄」が使われている (2016年6月30日まではオリジナル曲「杜の都」であった)。
東海道・山陽新幹線は構内西側 (太閤寄り) にある島式2面4線の高架駅。のぞみやひかりの大半は14・17番線に停車する。ほとんどの列車が当駅を越えて運行するものの、一部当駅を始発・終着とする列車がある。東京方面からこだまの毎時2本のうち1本が当駅止まりとなり、早朝・深夜には上り下り共に名古屋発着ののぞみ・ひかりが存在する。1時間に2本あるひかりのうち1本は当駅から新大阪方面は各駅停車。
新幹線は構内北側 (新幹線口) にある島式2面4線の高架駅。のぞみ・みずほをはじめ全列車が停車し、そのうち東京からののぞみ毎時1本が当駅で折り返す。早朝には当駅始発のさくらがある。新幹線専用改札は北側のみにあり、メイン出入口である南口へ抜けるには地下通路またはコンコースと在来線改札を経由することになる。
