学研都市線の運行を語る上で欠かせないのが、松井山手駅を境にした路線の劇的な変化です。京橋〜松井山手までは完全な複線で、朝夕には高頻度で7両編成の列車が運行されています。しかし、松井山手以東の同志社前・木津方面は一部に単線区間が残っています。
この単線区間が存在することにより、以下の運行上の制約が生じています。
- 対向列車の行き違い待ち（交換待ち）：片道が遅れると対向列車も駅で待機せざるを得ず、下り列車の遅れが上り列車へと跳ね返る。
- 運転本数のギャップ：松井山手以西が日中1時間あたり快速4本・普通4本の計8本走るのに対し、松井山手以東は1時間あたり2〜4本程度まで減少する。
- 編成両数の制約：過去のホーム有効長改良により現在は木津まで7両編成が乗り入れ可能になったものの、運行本数自体は輸送密度に合わせて最適化されている。
近年のダイヤ改正でも、需要に応じた運行本数の見直しが行われており、松井山手駅で京都・木津方面と大阪方面の折り返し・系統分離を行うケースが見られます。
