2001年より2005年まで、主に、広島駅 - 下関駅間で下関地域鉄道部のキハ181系気動車を用いた気動車快速列車が運行されていた。列車名は時期により異なり、主に「フグの旬の時季」とされる冬季では「下関ふくフク号」、夏季では「関門・海峡物語号」などの列車愛称を与えられ運行された。これには、基本的には山陰本線特急「いそかぜ」に使用されていた下関地域鉄道部（現在の下関総合車両所に相当）所属の同車両が3両編成2本と最低限の車両しか配備されていなかったためであるが、運用時には全車両座席指定席で運用するなど特色がある運用がなされたと言われる。なお、2003年の夏期には、NHK大河ドラマ「武蔵 MUSASHI」の舞台ともなった巌流島が関門海峡上にあることから、同ドラマの主人公であった七代目市川新之助（現在の十一代目市川海老蔵）演ずる宮本武蔵のラッピングなどを施した「関門・MUSASHI号」が運行された。また、2015年には、大河ドラマ「花燃ゆ」の放映を記念して、三石駅 - 下関駅間で、ラッピング列車が運行された。ただし、これらキハ181系気動車を用いた気動車快速列車では同車両が不調または定期検査などの理由により、時折宮原総合運転所または岡山電車区の117系電車や岡山電車区の213系電車による電車列車により代替運行が行われていた。このほかふくフク号にはSLやまぐち号用のレトロ客車が使われたり、きのくにシーサイド用の客車が使われたこともある。2005年の春の運行では、「あさかぜ」の運用を離脱したばかりの下関地域鉄道部下関車両管理室所属の24系客車が使用された。
関門トンネルを含むこの区間はJR九州の管轄区間となる。かつては本区間から新山口方面や山陰本線との直通列車が存在していたが、2005年10月のダイヤ改正でこれらの直通列車は全廃され（これにより、関門トンネルを通過する気動車列車も消滅）、運転系統が分断された。下関駅では原則として同一ホームでの対面乗り換えとして利便性を維持している。運転本数はおおむね1時間に3本であり、ほとんどの列車は門司駅から鹿児島本線小倉駅までの運転だが、一部は小倉駅から鹿児島本線博多方面または日豊本線行橋方面と直通する。本州と関門トンネル内は直流電化だが、関門トンネルの九州側の門司駅構内で交流電化になる。そのため、関門トンネルを通過する下関駅 - 門司駅間は気動車と交直両用電車・機関車のみが走行できる。普通列車にはJR九州の415系交直流電車が使用され、門司駅構内のデッドセクションで直流・交流の切り替えを行っている。なおこの区間をふくむ普通乗車券で山陽新幹線に乗車することはできない。詳しくは「山陽新幹線#新下関 - 博多間の取り扱い」を参照。
この区間では、本数は1時間に1 - 2本程度である。かつては広島方面から徳山駅まで快速「シティライナー」が設定されていた（ただし岩国駅 - 徳山駅は各駅停車）が、現在は南岩国駅発広島行きの快速「通勤ライナー」を除けば普通列車のみの運転であり、2012年3月以降は広島地区からの直通列車も削減された。朝夕ラッシュ時には、下関市内の小月駅 - 下関駅間のみを運転する列車が設定されており、徳山・新山口方面 - 下関間を直通する列車と合わせて1時間に3 - 4本の運行となる。115系電車での運転が中心となっている。
広島地区では国鉄時代末期の1982年に「ひろしまシティ電車」として普通列車が大増発され、JR発足後も「広島シティネットワーク」を構成する一路線として広島空港連絡の白市駅折り返し列車などが運転されるなど、都市圏輸送の充実が図られてきた。2015年3月14日現在、日中は普通が1時間に4本運転されている。朝夕を中心に白市駅 - 岩国駅間で快速「通勤ライナー」が1時間に1 - 2本運転されている。2010年3月改正以前と、2016年3月26日改正から2018年7月の豪雨災害発生までの間は、快速「シティライナー」も運転されていた。2012年3月のダイヤ改正により、「通勤ライナー」は西条駅 - 広島駅間で早朝に3本（下りのみ）、岩国駅 - 広島駅間で早朝に2本（上りのみ）に削減された。岡山方面からの列車も乗り入れる糸崎駅 - 三原駅を除き、227系電車のみが使用されている。
かりやという地名は、応永16年正月11日の熊野檀那職譲状写（米良文書）に｢一所借屋郷｣とあるのが初見である。一般には天文2年（1533年）の刈谷城の築城からとされるが、『宗長日記』には大永2年（1522年）に「此国、折ふし俄に牟楯する事有りて、矢作八橋をばえ渡らず。舟にて、同国水野和泉守館、苅屋一宿。」、大永4年（1524年）に「八日に参川苅屋といふ所、水野和泉守宿所一宿。」、大永6年（1526年）に「かりや水野和泉守宿所。」との記載があり、水野和泉守の居館が苅屋にあったという。『三河物語』では、三河一向一揆のくだりで、「水野下野守殿、雁屋より武具にて佐崎之取出え見舞に御越有。」と記載され、「刈」の字に「雁」が当てられている。かつては「谷」ではなく「屋」の字を当てており、『宗長日記』や『三河物語』や『信長公記』や『今川氏真判物』では「苅屋」または「かり屋」と表記されている。「以前は『亀村』と称していたが、元慶元年（877年）に出雲より一族を連れ移住した狩谷出雲守の名による」という伝承があり、平安時代から刈谷であったと言う説もある。その他、水野藤九郎代牛田守次寄進状写に「一四百文目 坪本苅屋南 天文十九年 庚戌 三月六日」、水野和泉守寄進状に「合壱所者 坪ハ深見苅屋百姓友三郎 大永五年 乙酉 弐月彼岸日 水野和泉守近守」とある。東照宮御実紀巻一に、三州刈屋の水野右衛門大夫忠政とある。