1990年に試作車（のちのＪ１編成 現在は廃車）が登場した。
最高時速はそれまでの220km/hを50km/h上回る270km/h。
試作車両の製作にあたっては最高時速270km/hの高速運転を
実現するため、アルミニウム合金を使用するなど軽量化が行われた。
また従来は屋根上に設置していた空調機器を床下に移したため、
100系に比べて車高は40cm低くなっており車体断面も縮小された。
1992年に量産車の登場を経て３月より<のぞみ>での運転を開始。
早朝と深夜の２往復が設定され、東京〜新大阪を２時間30分で結んだ。
ＪＲ東海側も「東京〜新大阪２時間半」を最大の売りにしていた。
ただ当時の保守技術では夜間の保線工事後の地盤を固めるために
早朝の数本は減速運転を行わなければならず、苦肉の策として
東京６時始発<のぞみ301号>については全列車停車が前提の
名古屋と京都を通過するダイヤ（通称 名古屋飛ばし）を組むことになった。
この「名古屋飛ばし」ダイヤ体制は地盤を固めつつ保線を行える
機械が開発された1997年のダイヤ改正時まで続くことになった。
1993年に山陽新幹線への直通運転を開始し、１時間に１本体制を確立。
山陽新幹線直通最速列車は東京〜博多を５時間４分で結んだ。
1997年に500系が登場、次いで1999年に700系が登場し、
その後も700系が増備を続けると徐々に<のぞみ>運用からは撤退。
０系や100系で運転されていた<ひかり><こだま>を置き換えた。
2003年10月の品川駅開業による<のぞみ>大増発改正時より、
ほとんどの<のぞみ>は500系と700系で運転されることになり、
300系が定期列車として<のぞみ>運用につくことは稀（まれ）になった。
また、この改正までに300系以前の旧型新幹線（０系および100系）は
東海道新幹線から完全に撤退しており、一層の高速化が図られている。
2007年にはN700系が登場し、2009年度までには全ての<のぞみ>が
新型新幹線N700系に置き換わる予定で、これにより既存の700系が
<ひかり><こだま>に繰り下がり、300系は活躍の場を失いつつある。
なお、初期に製作された古い数編成はすでに廃車、車籍抹消されており
近い将来、東海道新幹線 東京〜新大阪からの引退が決まっている。
