徳山駅から先はカーブをくり返す線形を取る区間が多い。新山口駅では山陽新幹線、宇部線、山口線、萩市方面へのバスの乗り換え駅となっており山口県の鉄道の要衝となっている。
宇部駅を出ると厚狭駅までカーブを多く渡りながら新幹線と合流。山陽小野田市の中心地を過ぎていくと一旦住宅地を抜け、再び街が構成され小月駅に到着。
長府駅を出ると瀬戸内海と別れ、山陽新幹線と垂直に交差する新下関駅を過ぎ、日本海側を経由してきた山陰本線と合流。同線との接続駅である幡生駅は、車両工場である下関総合車両所が隣接し、駅南側にはJR貨物幡生機関区が広がる。住宅地を進み、本州側最後の駅である下関駅に至る。
運行形態.
優等列車.
下記に示す区間は山陽本線を走行する区間である。全運行区間など各列車の詳細については当該列車の記事を参照。過去の列車は「山陽本線優等列車沿革」を参照。
地域輸送.
JR神戸線区間では、新快速・快速が加古川駅・姫路駅・網干駅発着、普通電車が須磨駅・西明石駅発着で、多数運行されている。
支線である和田岬線は、朝夕のラッシュ時のみの運転であり、専用の車両による支線内の往復運転となっている。
水曜日に運休する区間・時間帯.
山口地区では、保守点検に伴い、列車を区間運休する日がある。その場合は運休区間で代行バスを運行している。
下関観光臨時列車.
岡山・下関間長距離普通列車.
貨物列車.
和田岬線を除く全線で多くの貨物列車が運行されている。大半がコンテナ車で編成された高速貨物列車で、タンク車などを連結可能な専用貨物列車は一部区間で臨時列車として運行されているのみである。
山陽線の貨物列車発着のある駅は、神戸貨物ターミナル駅・姫路貨物駅・岡山貨物ターミナル駅・東福山駅・広島貨物ターミナル駅・大竹駅・岩国駅・新南陽駅・宇部駅・下関駅である。
使用車両.
他線への直通車両は当該路線の記事を参照。以下に示す車両はすべて電車である。なお、網干車とは網干総合車両所所属車、岡山車とは下関総合車両所岡山電車支所所属車、広島車とは下関総合車両所広島支所所属車、下関車とは下関総合車両所運用検修センター所属車のことである。
歴史.
概略.
駅一覧.
（貨）：貨物専用駅、◆・◇：貨物取扱駅（貨物専用駅を除く。◇印は定期貨物列車の発着なし）
西日本旅客鉄道.