名鉄キハ8000系気動車
直通運転の背景
名古屋鉄道は名岐鉄道時代の1932年（昭和7年）10月から週末に、自社犬山線と国鉄（当時の運営母体は鉄道省）高山本線経由で名古屋市内の柳橋駅（名古屋駅近くの名鉄ターミナル駅。1941年〈昭和16年〉廃止）から下呂駅への直通列車を運行していた。当時は畳敷化などの改装を施した名鉄電車（デセホ750形）を高山本線内で国鉄蒸気機関車に牽引させることで、直通運転を実現していた。両線が近接する鵜沼駅の貨物用連絡線を利用して直通させている。
この背景には、名古屋駅 - 鵜沼駅間では岐阜駅経由の東海道本線・高山本線ルートより犬山線を経由する方が短距離という事情と、名鉄のターミナルであった柳橋駅は当時の名古屋市の中心街に位置していたこともあって、旅客誘致策の一環として名鉄が鉄道省に申し入れた。鉄道省側は当初、一私鉄の車両を省線で運行するには保安上問題があるとして拒んでいたが、昭和天皇が犬山行幸の折に名鉄を利用したことを挙げて説得し、また、当時は鉄道省も観光客誘致に力を入れていたこともあって、名鉄車両の省線乗入れを承諾したものである。
名鉄ではこの乗入れ列車のために、当時の最新鋭車であるデセホ750形2両の半室を畳敷に改造した「お座敷電車」（翌年からは便所も取付たデホ250形）を用意し、「下呂行き特急」として大々的に宣伝した。下呂への往路は土曜日の午後と日曜日の朝に柳橋を出発し、復路は日曜日の夕方に下呂を出発するダイヤが設定され、週末の1泊・休日の日帰り旅行に適したものとなった。
その後1940年（昭和15年）10月のダイヤ改正からは、国鉄の木造客車を名鉄線内で電車牽引する逆乗入れの形態とし、区間を押切町 - 富山間に拡大した（運用上、この方が鉄道省の取扱が楽になる）。直通運転は太平洋戦争中に戦況の激化に伴って休止されたが、時期は不明（1944年〈昭和19年〉改正時の時刻表には乗入れ列車の記述あり）となっている。
戦後、1960年代の国内観光ブームを背景にこの直通運転再開が目論まれた。名鉄側は以前から運転再開を希望していたが、実現の契機となったのは、名鉄築港線（側線群）の大部分を1965年（昭和40年）に開業した第三セクター鉄道の名古屋臨海鉄道に譲渡した際であった。名古屋臨海鉄道には国鉄も資本参加していたため、高山本線への直通運転再開は築港線と貨物輸送の補償条件として実現した。
すでに高山本線では1958年（昭和33年）以降、気動車による準急列車が運行されて好成績を収めており、名鉄直通列車についても気動車が用いられることになった。この列車もまた準急列車としての設定が計画された。
名古屋鉄道（と同社に合併されたいくつかの鉄道会社）には戦前こそ支線用のガソリンカーを保有していたが、それらは戦中戦後に全て電車の付随車に改造されて気動車を保有していなかった。だが、狭小な建築限界の上に急カーブがある名鉄線には幅広な国鉄形気動車が直通できないこと、また国鉄車両よりも水準の高い（パノラマカーと同等の）サービスが目論まれたこともあり、新たに専用の気動車を開発することになった。
キハ8000形
片運転台の二等車で1965年7月に2両（8001・8002）が製造され、その後1969年9月に1両（8003）が増備された。走行用エンジン1基と、冷房電源用エンジンを1基搭載する。1976年の特急格上げ時、客室前方の一角に車掌室を設置した。1988年に全廃となった。
キハ8050形
運転台のない中間二等車で、1965年7月に2両（8051・8052）が製造された。高山本線の急勾配に備え、走行用エンジンを2基搭載する。キハ8000形とともに、1988年に廃車された。
キロ8100形・キロ8150形
私鉄には珍しい一等車（1969年からグリーン車）で1965年7月に先頭車1両（8101）中間車1両（8151）が製造された。リクライニングシートを装備し、他形式と同様の連続窓だが、座席1列に1窓の割で配置されているため窓幅が狭い。走行用エンジン1基と、冷房電源用エンジンを搭載する。
1970年の立山直通運転に際してグリーン車（旧一等車）の乗車率なども考慮した輸送力見直しが行われ、座席を普通車仕様の転換クロスシートに交換して普通車キハ8100形（8101）に格下げされた。8151には運転台取付改造も行われ、キハ8100形に編入されて8102となった。この時に取外されたリクライニングシートは当時計画のあった特急専用車に転用するため保管されていたが、車両計画の停滞により使用されないまま後年に廃棄されている。1985年に廃車された。
キハ8200形
立山直通に際して不足する駆動力を補強するため増備。片運転台の普通車で、1969年9月に5両（8201 - 8205）が製造された。走行用エンジン2基の他に電源用エンジンまで搭載した重装備車であり、他のキハ8000系各形式の全長19730mmに対し、床下スペース確保のため全長を20730mm に延伸している。これは当時名鉄の車両で最大であった。車体延長に拘らず、ラジエターの追加で定員はキハ8000形より4名減少した。また長い車体がカーブ通過時に車両限界に支障しないよう、車体幅もさらに狭い 2,710 mm となっている。キハ8000系のうちで最後まで残った形式である。
「北アルプス」運用
キハ8000系の運用が大きな発展を見せたのは1970年である。この年7月、立山黒部アルペンルートが貫通（開通）し運行（乗り入れ）区間も夏季限定ではあったが、玄関口である富山地方鉄道（富山地鉄）立山線立山駅（富山駅経由）まで延長され、列車名も「たかやま」から「北アルプス」へと改称した。このため所要の車両数確保を目的として、キハ8000形・キハ8200形計6両を増備している。
またこの延長運転には名鉄が当時最も注力していた北陸進出の一環との意味合いも込められており、資本参加を画策していた富山地鉄に対する影響力の増大を意識した名鉄の企業戦略に則ったものであった。後に富山地鉄への資本参加（グループ化）は断念したが、その後も良好な協力関係を築くきっかけともなった。
1976年10月、国鉄の増収政策を背景に「北アルプス」は特急列車に格上げされた。客室設備の水準の高さがこの措置を可能としたとも言える。塗色は急行色のまま塗分のみ国鉄特急形気動車に準じた形に変更され、運転台窓下に羽根状の帯を入れた。これより、国鉄のキハ82系に一層よく似たものとなった。予備車も少なく一夜にして急行から特急へ変更する経過措置として塗色はそのまま急行色を使用したと思われるが、結局この配色は8000系全廃時まで変更されることはなく、全国で唯一、急行配色のまま運行された特急列車であった。
立山乗り入れは1983年夏まで13年間継続したが、名古屋駅 - 富山駅間の直通客は所要時間の短い北陸本線経由の特急を利用するという実情もあり同年の夏季ダイヤ終了後は神宮前駅 - 飛騨古川駅間に運転区間を固定し、富山地鉄への直通も取りやめた。その後、1985年には再び富山駅まで区間延長されたが、同時に車両運用（連結両数）も見直され余剰となったキハ8100形2両がこの時点で廃車された。この時期には通常キハ8200形またはキハ8000形2両+キハ8050形1両（2M1m）の3両編成での運行が基本となっていた。1988年にはキハ8000形とキハ8050形が全廃となって中間車が存在しなくなり、キハ8200形5両のみが残る体制となった。
国鉄民営化によって発足した東海旅客鉄道（JR東海）は1989年、高山線特急「ひだ」に従来のキハ80系気動車に代わり、大出力エンジン搭載の新型車キハ85系気動車を投入した。1970年代後半には簡易リクライニングシート、90年代に入れば本格的なリクライニングシートが標準仕様であった優等列車の設備傾向に比し、1960年代の仕様であるキハ80系の「回転クロスシート」より水準の低い狭幅の「転換クロスシート」で、走行性能も、最終的に2基エンジン車のみになったとは言え1960年代の急行形気動車並みであり、さらにもともと特急運用を想定していなかったこともあり、台車も金属バネ仕様であったキハ8000系の陳腐化が顕在化した。もとより準急列車への使用を企図した接客設備は準急・急行形としては優秀であったが、特急形の水準としては十分なものではなかった。
1990年には西日本旅客鉄道（JR西日本）エリア内への乗り入れを中止し、再び運転区間を高山駅までに短縮したが翌1991年、「北アルプス」の車両は後継形式のキハ8500系気動車に置換えられ、キハ8000系は残存の全車が運用を終了し、除籍された。その後、尾西線日比野駅側線に稼動可能な状態で留置され、対外譲渡を検討したものの車齢と車体重量が原因で成就せず、最後に残ったキハ8200形5両も全て解体された。
間合い運用
「たかやま」「北アルプス」としての直通運用のほか間合い運用で名鉄線内の特急列車にも使われた。また富山地鉄でも立山駅での折り返し時間（特急昇格時ダイヤで15:05着 - 翌11:05発）が長いことから、同社線内立山駅 - 宇奈月温泉駅間の「アルペン特急」などで運用された実績もある。