Tiền thân của tuyến Yamanote hiện tại được mở vào 1 tháng 3 năm 1885 bởi Công ty Đường sắt Nhật Bản kết nối ga Shinagawa xuống phía Nam và ga Akabane lên phía Bắc.[14] Phần đỉnh của vòng Yamanote nối ga Ikebukuro và ga Tabata (có độ dài 3.3 km) được mở vào 1 tháng 4 năm 1903, và sau được hợp nhất thành tuyến Yamanote vào 12 tháng 10 năm 1909.[14]

Tuyến được điện khí hóa vào năm 1909, cùng năm đó đoạn giữa Osaki - Shinagawa được nâng cấp lên đường đôi[cần dẫn nguồn]. Toàn bộ vòng Yamanote được hoàn thành vào năm 1925 cùng với đường đôi, điện khí hóa giữa ga Kanda và ga Ueno và 1 tháng 11, kết nối phía bắc và nam thông qua ga Tokyo. Một tuyến vận tải chạy song song cũng được hoàn thiện vào năm 1925, dọc theo mạn trái của vòng Yamanote giữa Shinagawa và Tabata.

Thời kỳ trước chiến tranh, Bộ Đường Sắt không cho phép các công ty đường sắt tư nhân không được mở tuyến đường mới xuyên qua tuyến Yamanote để vào vùng trung tâm của thành phố, nên các tuyến đều chỉ có điểm cuối là các ga trên Yamanote mà không vào sâu hơn.[cần dẫn nguồn] Chính sách này lại làm thúc đẩy phát triển các khu vực mới chung quanh trung tâm thành phố gọi là các khu đô thị mới (新都心、副都心, shintoshin, fukutoshin?), đáng chú ý nhất là Shinjuku và Ikebukuro (trở thành hai ga hành khách bận rộn nhất trên thế giới).

Tuyến Yamanote hiện tại thực sự ra đời vào 19 tháng 11 năm 1956, khi nó được tách ra khỏi Tuyến Keihin-Tōhoku và có đường ray riêng (phía bên phải của vòng Yamanote giữa Shinagawa và Tabata). Tuy nhiên, các tàu của Tuyến, Yamanote vẫn định kỳ sử dụng đường ray của Tuyến Keihin-Tōhoku, đặc biệt vào các ngày nghỉ và giờ thấp điểm, cho tới khi dịch vụ tốc hành được đưa vào hoạt động trên Tuyến Keihin-Tōhoku năm 1988.

Một vụ nổ lớn xảy ra trên Tuyến Vận tải Yamanote ở Shinjuku năm 1967 dẫn tới việc chuyển hướng giao thông vận tải sang Tuyến Musashino. Để tránh lãng phí, đường ray này được cơ cấu lại để phục vụ cho Tuyến Saikyo và Tuyến Shōnan-Shinjuku, cũng như tàu tốc hành Narita Express và các dịch vụ phụ khác. Bên cạnh đó, cũng đang có các kế hoạch kết nối Tuyến Tohoku Chính và Tuyến Joban vào Tuyến Tokaido Chính thông qua tuyến mới có tên là Ueno-Tokyo giảm tải cho các khu vực quả tải trên Tuyến Yamanote Line hiện tại, dự đinh từ ga Ueno đến ga Okachimachi.

Hệ thống tự động điều khiển tàu (ATC) được giới thiệu vào 6 tháng 12 năm 1981 và hệ thống điều khiển kỹ thuật số (D-ATC) ra đời 30 tháng 7 năm 2006.[12]

Các ga tàu của JR East khu vực Tokyo được đánh mã số bắt đầu từ 20 tháng 8 năm 2016, với "JY" là tiền tố cho các ga của Tuyến Yamanote.[15]