山陰本線
地域輸送
国鉄時代は、ほぼ全線を通して運転されるような長距離列車が多く見られ、京都発の普通客車列車の行先だけでも園部駅や福知山駅のみならず、豊岡駅・浜坂駅・鳥取駅・米子駅・出雲市駅・浜田駅などもあったが、現在はおおむね下記の区間に細かく運転系統が分かれている。
京都駅 - 園部駅間と鳥取駅 - 益田駅間では中距離・都市間の速達輸送を担う快速列車が運転されている。一方、園部駅 - 浜坂駅間でも2013年から一部の定期普通列車が快速列車に変更されているが、こちらは利用者の少ない駅を通過運転するものである。快速列車へ変更となった列車も引き続き他の普通列車と一体的な運行がなされている。
なお、一部列車をのぞき、ほとんどの区間の普通や快速列車でワンマン運転を行っている。
京都駅 - 園部駅間
嵯峨野線の愛称がある。アーバンネットワーク圏内のため旅客数・列車本数とも多く、朝ラッシュ時の輸送力は飽和状態に近い。2010年3月7日に京都駅 - 園部駅間の複線化（京都駅構内は単線）が完成した。
園部駅 - 福知山駅間
電化および高速化工事が行われ、特急の所要時間は短縮された。しかし、普通列車は行き違いや追い抜きのための停車時間が長くなり、また、区間内ではカーブが多く、速度制限があるため、所要時間はあまり短縮されていない。普通列車は1時間あたり1 - 2本程度が運転されており、一部をのぞきワンマン運転が実施されている。京都駅と直通している朝夕の一部列車をのぞいて園部駅 - 福知山駅間のみの運行を行っており、園部駅で嵯峨野線列車との接続は良好である。嵯峨野線およびこの区間においては特急優先度が高く、途中駅で追い抜かれることが多い（一例として胡麻駅では、日中の下り列車を中心に特急待避が行われている）。ただ上り列車の場合、日中を中心に福知山駅を特急の約10分後に出発し、かつ園部駅で嵯峨野線快速との接続がある列車に関しては、京都駅まで先行する（反対方向に対しても、京都駅を朝夕に出発する列車を中心に、福知山駅まで先行する）。
単線部の複線化については、京都府は2022年度を目標とする奈良線複線化事業後の着手を考えたいとしている。
綾部駅 - 福知山駅間は舞鶴線と直通する列車も乗り入れて列車本数が多くなり、この区間は複線となっている。また、当路線の特急「きのさき」・福知山線の特急「こうのとり」と接続する舞鶴線直通の普通は「リレー号」として運転されている。
福知山駅 - 豊岡駅・城崎温泉駅間
福知山線の延長的存在として京都駅 - 園部駅間よりも早く電化されて、大阪・京都方面からの特急が多く運行されているが、高速化工事はされておらず、おもに福知山駅 - 上夜久野駅間では急曲線も連続することから特急も速度を落として運転している。この区間には対向列車待ち合わせのための宿南信号場がある。1996年3月15日までは大阪駅から福知山線経由で直通していた長距離普通列車も運転されていた。和田山駅 - 城崎温泉駅間では播但線の特急も乗り入れている関係や、観光シーズンになると臨時列車の運行や乗降に時間を要し、遅延が発生することが多い。
1時間あたり1 - 2本程度が運行されている。普通列車は一部をのぞきワンマン運転を実施している。朝5時台に豊岡駅 - 城崎温泉駅間の区間列車がある。
豊岡駅・城崎温泉駅 - 浜坂駅間
城崎温泉駅から先は非電化となり、本数も1 - 2時間に1本程度とローカル色がより濃くなる。この区間には対向列車待ち合わせのための相谷信号場があった。普通列車は一部をのぞきワンマン運転を実施している。この区間の普通列車は基本的に豊岡駅発着となる。この区間では2002年度の上半期に月一回の保守運休（代替バスなし）を行っていた。
かつてはこの区間にも特急「北近畿」との接続を目的として快速列車が運行されていた時期もあった。2011年4月からは、臨時快速として、豊岡駅 - 鳥取駅間に「山陰海岸ジオライナー」が土休日などに運行されている。2012年春のダイヤ改正で、一部の駅を通過する普通列車が設定された。また、2013年春のダイヤ改正で、それらの列車を快速列車としている。
浜坂駅 - 鳥取駅間
県境を挟むこともあり、特急「はまかぜ」（1往復）をのぞけば、1・2両編成の普通列車と快速列車が走るのみである（定期快速は居組駅のみ通過。前節の臨時快速「山陰海岸ジオライナー」は、この区間では途中岩美駅のみ停車）。
普通・快速列車にはキハ47形気動車・キハ121系気動車が使用される。2018年3月17日ダイヤ改正時点で普通・快速列車は全ての列車がワンマン運転を実施している。この区間にはスイッチバック式停車場となっている滝山信号場があるが、現在では対向列車待ち合わせの用途には使用されていない。
鳥取駅 - 米子駅間
この区間は再び幹線鉄道の様相を呈する。高速化工事により所要時間が短縮された海沿いのなだらかな区間（末恒駅 - 倉吉駅間以外にはトンネルが存在しない）を、鳥取県内・山陰両県の都市間輸送を担う特急やこれを補完する快速「とっとりライナー」が運行されている。また京阪神発着の特急も智頭急行経由で乗り入れることから、特に鳥取駅 - 倉吉駅間で列車本数が多く、普通列車は行き違いや追い抜きのための停車時間が長い。普通列車は倉吉駅で乗り換えとなるものもある。途中の伯耆大山駅から電化区間となり、伯備線の電車列車も乗り入れているため、運行本数も多くなり、米子駅を経て安来駅まで複線化されている。
米子駅 - 出雲市駅間
伯備線と同時に山陰本線で最も早く電化された区間であるが、普通列車の半数近くは気動車で運転されており、1時間あたり1本程度運行されている。一方、快速列車はすべて気動車である。一部の電車列車は伯備線に直通し、特急「やくも」や寝台特急「サンライズ出雲」も乗り入れる。平日は上りのみ快速「通勤ライナー」も運転されている。それ以外にも快速列車（「アクアライナー」と「とっとりライナー」）が運転されているが、この区間は例外なく各駅に停車する。宍道駅 - 松江駅間には木次線からの直通列車がある。
また、この区間は特急を含めると列車の運行本数がかなり多く、伯耆大山駅 - 安来駅間、東松江駅 - 松江駅間、玉造温泉駅 - 来待駅間は複線化がなされているが、この区間全線が複線化されている訳ではないので、対向列車の待ち合わせに10分以上要する場合もある。なお、揖屋駅から米子方約2kmの複線化がなされているが、1982年の伯耆大山駅 - 知井宮駅（現・西出雲駅）間の電化の時に用地は確保されていたにも関わらず、施工されていなかった。
出雲市駅 - 益田駅間
この区間は、西出雲駅から先は再び非電化区間となり、ローカル色が強くなるが、2001年7月7日に高速化工事が完成し、島根県内の都市間輸送を特急とともに行う目的で快速「アクアライナー」が運行されている。普通列車は浜田駅・江津駅で乗り換えとなるものが多く、浜田駅 - 益田駅間は運行本数が少なくなる。2006年7月18日から2007年6月15日まで三江線が不通になっていた関係で、1往復の列車が運休していたが運行再開に伴い当該列車も運行を再開した。再開と同時に三江線直通の普通列車も浜田行きが2本、浜原行きが1本設定されていたが、三江線は2018年4月1日に廃止され、当該列車は江津発着となった。
益田駅 - 長門市駅間
島根県と山口県の県境を挟むこの区間は、山陰本線の中でもとりわけ乗客・本数ともに少なく、1日10往復足らずで、日中は4 - 5時間以上運転がない時間帯がある。全列車が1 - 2両編成のワンマン運転による普通列車である。多くの列車が益田駅 - 長門市駅間の運転となるが、益田駅 - 下関駅間を直通する列車や益田駅 - 東萩駅間および木与駅・東萩駅 - 長門市駅間、登校日の長門三隅発長門市行きの区間列車も設定されている。2005年2月末に特急「いそかぜ」が廃止されて以降、益田駅 - 下関駅間は仙崎支線を除けば山陰本線で唯一特急列車が運行されていない区間となっている。
この区間にはJR西日本管内の地方交通線で見られるような20 - 30 km/h程度に速度を落として通過する曲線箇所が存在する（飯浦駅 - 江崎駅間など）。
長門市駅 - 下関駅間
山陰本線は幡生駅までであるが、列車は下関駅まで運転される。この区間は輸送力が低いとされ、かつては急行「あきよし」「さんべ」などのように長門市駅で分割し、美祢線経由で運転されるものもあった。
日中を中心にワンマン運転を実施しているが、奈古駅・長門市駅・滝部駅 - 下関駅間を直通する列車の場合、奈古駅・長門市駅・滝部駅 - 小串駅間までがワンマン運転で、小串駅 - 下関駅間は車掌が乗務する列車もある。ただ、下関市域、特に小串駅 - 下関駅間は、関門都市圏の都市圏輸送を担っていることもあって、1時間あたり1 - 2本程度は運行されている。輸送力調整のため、小串駅で乗り換えとなる列車も多く、小串駅 - 下関駅間では3・4両編成になることもある。
2005年9月30日までは、関門トンネルを抜けて、JR西日本管内小串・長門市方面と、門司駅・小倉駅などJR九州北九州市内の駅を結ぶ直通列車が運転されていたが、2005年10月1日のダイヤ改正以後は、全列車が下関駅折り返しとなっている。
この区間では、2017年8月5日からは観光列車「○○のはなし」が土日祝日に運行されている。2007年7月1日から2017年1月29日まで、観光列車「みすゞ潮彩」が運転されていた（土日祝日のみ快速運転。ただし運行上、2回通る幡生駅を1回通過するのみで、あとは各駅停車であった）。
2017年3月4日のダイヤ改正では、下関駅発上りの最終列車が23時台に引き下げられた。
長門市駅 - 仙崎駅間（仙崎支線）
1日6往復のみの運行となっている。観光列車「○○のはなし」（下関方面直通）をのぞく全列車がワンマン運転で、一部の線内折り返し列車をのぞき美祢線と直通運転する系統が基本である。これは仙崎支線がもともと美祢線の貨物支線として開業した経緯によるものである。1往復のみ2両編成である。
貨物列車
2014年3月改正時点で伯耆大山駅 - 米子駅間に3往復運行されていた高速貨物列車が、2015年3月14日のダイヤ改正において、伯耆大山駅のコンテナホームが供用を開始し、同駅に米子駅の機能を統合したため、すべて伯備線内折返しとなったのを最後に、山陰本線内を通過する定期貨物列車が全廃された。日本貨物鉄道（JR貨物）における山陰本線の第二種鉄道事業免許についても、2015年4月1日付で廃止された。
その後、2018年7月の西日本豪雨に伴い山陽本線の一部区間が不通になったため、伯耆大山駅 - 益田駅間の第二種鉄道事業許可書が同年8月22日にJR貨物に対し交付され、伯備線・山陰本線・山口線に迂回する貨物列車が同年8月28日から9月28日まで臨時運行された。2018年9月29日に台風24号の影響で山陽本線柳井駅 - 下松駅間が不通となったため、同年10月5日から（当線通過は6日から）11日まで再度同一経路で運行された。
前史
明治の鳥取では、明治中期に県内の道路整備が行われたものの、県外との交通は海運が主流であった。1890年（明治23年）頃は、鳥取から大阪へは徒歩で約1週間、航路では瀬戸内海を経由して2週間ほどを要した。その航路も春は荒天で欠航が多かった。
その頃までに、東京・神戸間や東京・仙台間に鉄道が開通していた。また1887年（明治20年）の私設鐵道條例によって全国で私鉄ブームとなった。山陰では、鳥取県と島根県の議員が合同で山陰地方への鉄道建設を目指すようになり、鳥取新報などの地元紙も山陰の鉄道に関する連載を行って地元世論を喚起した。1887年（明治20年）には早くも山陰と岡山を結ぶ路線が提唱された。
さまざまなルート案
1890年（明治23年）から1891年（明治24年）にかけて鳥取・岡山の県議ら約250名が請願した「境港-米子-倉吉-津山-岡山」ルートの請願を出した。この頃の倉吉は木綿や農機具（千歯扱き）生産で栄えていて、これらを境港へ輸送する手段を求めていたのである。
これに対し、日野郡出身で鉄を扱う商工業者らは中国鉄道株式会社を興し、鉄の輸送に便利な「境港-米子-根雨-津山-岡山」ルートを主張した。
さらに倉敷方面と米子方面の有力者たちが「境港-米子-新見-倉敷-玉島」ルートを目指す期成会を結成した。
鳥取市では「姫路-津山-鳥取」ルートを目指して市会の議決を行ったが、税負担を不服とする住民がこれに反対し、県へ問題を持ち込んだ。県、鳥取市長、鳥取市会の意見の隔たりが大きくなり、提訴や行政裁判が繰り返され、遂に市長と市議全員が総辞職する騒動になった。
ひとまずのルート決定と中断
これらの様々なルートで競争が行われたが、1892年（明治25年）の鉄道敷設法では、舞鶴から鳥取、松江、浜田を経て山口を繋ぐ日本海側の縦断線や、いくつかの陰陽横断線が盛り込まれた。ただし、具体的なルートや着工の見通しはそれ以後の決定とされた。9種類ものルートが検討の対象となった。
結局、1893年（明治26年）に官設の「境港-米子-鳥取-智頭-佐用-姫路」ルート、私鉄・中国鉄道の「米子-根雨-津山-岡山」ルートの建設が決まった。翌1894年（明治27年）には山陽鉄道が神戸・広島間を全通させ、山陰方面でも大いに期待が高まった。ところがその翌月、日清戦争が勃発し、山陰方面の鉄道建設は凍結になった。
建設開始
戦争終結後、山陰方面の鉄道建設が再開されることになったが、より重要な路線を最優先で建設することとなった。再び建設ルートや官民どちらを優先するかで紛糾したが、最終的には「境港-米子-鳥取-智頭-佐用-姫路」ルートが優先されることになった。これには軍部の意向が働いていて、姫路の第10師団と鳥取の歩兵第40連隊、さらに重要港湾の境港の連絡路を優先したのだとみなされている。
1900年（明治33年）の着工時点では、795万円の国費が予算として充てられた。建設資材などを境港へ船で運び、そこから順次、先へ伸ばすのが輸送の面から合理的であったため、工事は境港から始まった。建設工事は県内外から大量の人夫を集めたほか、米子方面の建築業者の成長を促した。境港から東へ向かうルートはしばらく平坦路で地盤もよく、工事は順調に進んで1902年（明治35年）に境港-御来屋間が開通した。
建設ルート変更
このあと御来屋-八橋間の建設工事中に、帝国議会はルート変更を決めた。変更後のルートは「境港-米子-鳥取-和田山-福知山」となった。日露戦争を見据えた帝国議会が軍事上の最優先路線として、大阪と舞鶴軍港を結ぶルートの建設を急ぐことになり、これと連結することで姫路・大阪・舞鶴・鳥取・境港といった軍事拠点が一挙に連絡できるからである。また、まもなく米子から今市（出雲市駅）までの延長も決まった。さらに鉄道国有法によって、全路線が国有化されることになった。このときから、今市・香住間を「山陰西線」、香住・福知山間を「山陰東線」と称するようになり、「西線」の工事指揮のため米子に出張所がおかれた。この出張所が米子鉄道局に発展した。
御来屋から東を目指す建設工事は、日露戦争中に一時的に中断があったものの急ピッチで進められた。このうち倉吉付近のルート選定については諸説ある。建設ルートは、倉吉市中心部を通るわけでもなく、江戸時代からこの地方の水運の拠点であった橋津を通るわけでもなく、両者の中間である上井を通ることになった。これは最短路というわけでもなく、迂回ルートとなっている。『鳥取県史』では、このルートは鉄橋やトンネルの建設が最小限で済む低コストのルートであったと説明している。
「東線」に相当する区間では、京都鉄道が1899年（明治32年）までに京都・園部間を、園部・綾部間を国が建設した。福知山・綾部間は阪鶴鉄道の路線を延伸する形で舞鶴までを結ぶ阪鶴線の一部として1904年に開業した。京都鉄道・阪鶴鉄道の両社は国有化され、京都駅 - 綾部駅間が京都線として1910年に開通した。
京都・出雲市間の開通
建設ルートではにわか景気による様々な悲喜騒動があったものの、米子から鳥取までの工事は比較的順調にすすみ、1907年（明治40年）の皇太子（のちの大正天皇）行啓にあわせて「鳥取仮駅」（千代川左岸）まで開業した。さらに翌年に千代川の鉄橋完成により1908年（明治41年）に米子・鳥取間の開通となった。
しかし、鳥取と香住間は険しい山地を通るため難工事で、なかでも桃観トンネル・余部橋梁が最後になった。これらの完成を以って「西線」が開通したが、これは「東線」に比べて5ヶ月遅れてのことであった。こうして1912年（明治45年）3月1日に京都駅から出雲今市（出雲市駅）までが全通することになった。鳥取市で行われた開通式典には大隈重信、原敬など2600人が参加した。一番列車が来ると各駅で花火を打ち上げ、小学生の旗行列や大人の提灯行列で出迎えたという。

山陰本線の開通は山陰地方を大きく変えた。それまで交通・運輸の中心であった海運は壊滅的に衰退し、多くの港町が荒廃した。村ごとにあった商工業者は京阪神の大手企業に太刀打ちできず、次々と消えていき、地方の小町村は「都会へ安価な労働力を提供する地」へと変わっていった。一方、京阪神地方からの旅行客が激増し、観光地や温泉地が飛躍的に発展した。また、農業・漁業・林業などの一次産業では、地元消費から京阪神へ出荷する商品の生産が大幅に伸びた。肉牛、二十世紀梨、繭などが増産されたほか、第一次世界大戦の好況も相まって、材木、パルプ、綿布、和紙の出荷が大きく増えた。これらにより、産業構造は一次産業偏重に大きく傾いていった。
京都駅 - 園部駅間
全区間複線・電化。( )内の数字は営業キロ。
京都駅 (0.0 km) - 梅小路京都西駅 - 丹波口駅 - 二条駅 - 円町駅 - 花園駅 - 太秦駅 - 嵯峨嵐山駅 - 保津峡駅 - 馬堀駅 - 亀岡駅 (20.2 km) - 並河駅 - 千代川駅 - 八木駅 - 吉富駅 - 園部駅 (34.2 km)