名古屋電灯時代の1917年（大正6年）に水利権許可を受けた「大桑第一水力」は、実際の開発にあたっては3分割され、これまで須原、桃山と開発が進んできたが、残る寝覚水力だけは開発が延期されていた。同地点で1936年9月に着工、1938年（昭和13年）9月に完成したのが寝覚発電所である。所在地は長野県西筑摩郡上松町。元々は1万kW程度の発電所の予定であったが、木曽川のほか王滝川と小川からも取水するように設計を改め、出力は3万2600kWとなった。ここでも使用水量増加のため、1939年3月に出力が3万5000kWに増強されている。基本的に東京方面への送電にあてるが、余剰分を関西方面へも送電し得るようにするため、設備は50ヘルツ・60ヘルツ双方の周波数に対応する設計とされた。水車・発電機各2台と変圧器はすべて日立製作所製である。また寝覚発電所の建設に伴い、須原変電所より寝覚発電所を経て東京送電線の松島開閉所へ至る154kV送電線が1937年に完成し、木曽川筋と東京方面が直接154kV送電線で繋がった。
飛騨高地の山間を縫って岐阜市と富山市を結んでいるが、山間部あるいは盆地である岐阜県飛騨地方へのアクセス路線でもあり、下呂温泉や高山市、飛騨市への観光路線としての性格を持つ。岐阜駅 - 猪谷駅（構内のぞく）間はJR東海の東海鉄道事業本部が、猪谷駅 - 富山駅間はJR西日本金沢支社の北陸広域鉄道部がそれぞれ管轄している。本州の「本線」では唯一、地方交通線に分類されている。JRの前身である日本国有鉄道（国鉄）時代の早い時期から列車行き違い設備の増設や列車集中制御装置 (CTC) の導入といった輸送近代化が行われ、列車の増発が可能になった。国鉄分割民営化後は岐阜駅 - 高山駅間において行き違い可能駅で両開き分岐器（Y字ポイント）を110 km/hでの高速通過が可能な型に取り換えるなど、優等列車の高速運転が行えるように改良が行われている。かつては電化計画もあった。1980年（昭和55年）5月6日の国鉄理事会で全線225.8 kmの電化計画が決定され、翌日、運輸大臣に認可が申請された。18か所の変電所を設置し、全線を直流1500 Vで電化する計画で、投資額は約200億円、1985年度（昭和60年度）電化開業を目指していた。1980年5月27日には高山駅構内で起工式が行われた。しかし、全線を直流にするか美濃太田以北を交流にするかどうか、前者の場合交流電化である北陸本線の富山駅構内との交直セクション設置の問題などにより論争となり、沿線に420本の架線柱が設置された時点で工事が中断した（この架線柱は通信専用線電柱に転用された）。また、電化時には当時中央西線の特急「しなの」に使用されていた車両と同じ381系直流特急用振り子車両の導入、および急行以下用は457系交直流急行形電車の再生産が計画されていたが、需要減や国鉄の財政逼迫から1985年頃までに電化計画そのものを取りやめ駅構内などの線路改良と高性能気動車の導入に転換した。その結果、特急列車に関してはJR移行後の新型車両キハ85系の導入によって従来の特急形電車と同等に近い性能となり、高山以南の所要時間は電化された場合と遜色がなく、振子車両特有の揺れも無いので新車導入当初は好評であった。2008年（平成20年）には東海北陸自動車道が全線開通し、高山市街地付近にまで延伸しており、高速バス「ひだ高山号」との競争が激化している。名古屋駅など東海道本線木曽川駅以南の各駅と、富山駅など北陸本線（現・あいの風とやま鉄道）福岡駅以東の各駅との距離は米原駅経由よりも高山本線経由の方が短い。しかし東海道新幹線が米原駅を経由して開業し、あわせて北陸トンネルの開通をはじめ北陸本線の電化・複線化・高速化が行われ電車特急が頻発されるようになったため、所要時間や利用機会（列車本数）は北陸本線経由が優位である。なお、北陸本線の電化区間が富山駅まで達する前の1963年（昭和38年）までは、大阪方面からも距離は長くなるが岐阜駅で列車を乗り継ぎ高山本線を経由する方が富山駅までの所要時間が短いことがあった。岐阜駅 - 鵜沼駅間では名古屋鉄道（名鉄）各務原線と並行している。同区間の距離における地方交通線の運賃表は200円区間をのぞき幹線と同一料率であり、名鉄より安い運賃になっている（2012年現在）。また岐阜駅 - 美濃太田駅間はIC乗車カード「TOICA」の利用エリアに含まれている。2015年（平成27年）3月14日の北陸新幹線長野駅 - 金沢駅間開業により、並行在来線区間にあたる北陸本線金沢駅 - 直江津駅間はIRいしかわ鉄道・あいの風とやま鉄道・えちごトキめき鉄道の第三セクター鉄道3社に経営分離されたが、「枝線」にあたる本路線のJR西日本区間については引き続き同社が運営している。このため、本路線のJR西日本区間は、大糸線のJR同社区間と共に、他のJR同社在来線と接続せず、新幹線・JR他社在来線のみに接続する路線となっている。また、新幹線の開業後は金沢以東において七尾線直通をのぞく北陸本線特急の運行はすべて廃止され、名古屋・岐阜と富山とを直接結ぶ特急は本路線の「ひだ」のみとなった。また、北陸新幹線延伸開業後は、東京 - 高山の所要時間は「東京→（東海道新幹線）→名古屋→（ひだ）→高山」の経路と「東京→（北陸新幹線）→富山→（ひだ）→高山」の経路でほぼ同等となった。なお、富山駅は乗継割引の指定駅ではないため、北陸新幹線と「ひだ」を乗り継いでも特急料金などの割引は適用されない。そのため、名古屋経由の方が距離が長いにもかかわらず料金的には割安となる。