中世熊野詣において京の院や貴族たちがたどったルートに従うならば、京都から舟で旧淀川河口まで下って渡辺津付近で上陸するところから参詣道がはじまる。摂津から南下して紀伊の山口に至る道は、平安時代以降は南海道であった。南海道は遷都などの事情により数度にわたってルートが変更されており、奈良時代までは紀ノ川河谷を西進して紀伊国府に至り、淡路・阿波とすすむが、中世熊野詣の時代には官道である南海道を利用していた。旧淀川河口付近の上陸地から上町台地を南下し、河内・和泉の国境を三国峠で越え、和泉国に入る。和泉国において紀伊路のルートを制約するのは、かつての和泉・紀伊の国境、今日の大阪・和歌山県境をなす和泉山脈と和泉山脈から派生した和泉丘陵である。和泉山脈から北に向かって櫛の歯状に伸びる丘陵は和泉平野を広く覆い、その間を開析する河川はいずれも流域面積の小さな河川ばかりであるが、段丘に深いV字谷を形成している。丘陵末端は海岸線との間に海退または隆起により海岸段丘を形成し、この海岸段丘形成の作用と東から西への地形の圧力により河川は屈折を繰り返しつつ大阪湾に流入するまでの間に、沖積平野・扇状地を形成する。そうした丘陵の下部や段丘の末端部には湧水帯が見られ、この湧水帯をつなぐ線は丘陵下湧水帯線と呼ばれる。この線に沿って原初的な交通路が成立し、のちに紀州街道・熊野街道となって、各時代を通じて文化を受け入れる幹線となった。しかし、この交通路は南西に進むにつれて、和泉丘陵が海岸に迫って来るために狭められてゆき、阪南市貝掛付近ではついに丘陵先端が海に落ち込むことになる。それゆえ、交通路は海岸線を通るか、丘陵上に上がるかを選択せざるを得なくなるが、古代後期以降の主要交通路となるのは後者であり、古代以降の熊野街道、近世以降の紀州街道とも丘陵に上がり、現在の泉佐野市下瓦屋町付近で合流し、雄ノ山峠を越えてゆくことになる。大阪府内の紀伊路は大阪市内や堺市内では比定が困難であり、特に堺では中世の環濠都市の開発の影響が見られる。旧状を残す箇所と失った部分で差が見られるだけでなく、道でなくなった部分もある。残された道筋もすべて車道(府道や生活道路)となっており、かつて難所として知られた雄ノ山峠も、急勾配区間はルートを少し変えつつ名残をとどめる一方、峠付近はフェンスこそあるものの阪和自動車道の峠越えと一体化した巨大な切り通しと化しており、当時の面影のない舗装道路であり、「歴史の道」にも選定されず史跡指定も受けていない。
非電化・単線の路線で、首都圏にありながら駅舎や車両など古くからの雰囲気を残している。2018年には「小湊鉄道とその沿線の景観」が千葉県により、ちば文化遺産の一つ（広域）に選定された。踏切には、電鈴式踏切警報機が残っている。また警報機・遮断機がない第4種踏切が51か所残っている。ATSによる自動閉塞式区間は五井駅 - 上総牛久駅間のみの路線全体の41.9%に限られている。1990年代後半からの10年間で乗客が急減した。2000年代では、多少減少幅が緩やかになったが、やはり乗客は減少傾向にある。合理化により、2000年以降では、2002年に里見駅、2005年に上総山田駅が無人駅となった。2004年時点では自動券売機が設置されている駅はなかったが、曜日・時間を限って営業をしていた上総村上駅、海士有木駅、上総三又駅、馬立駅の各駅が2013年に無人化された際に自動券売機が置かれた。2002年に一度無人駅となった里見駅は、交換設備の使用再開に伴って再び駅員が配置され有人駅となった。駅係員の合理化が進む一方で車掌は全列車に乗務しており、無人駅では各駅ごとに検札・集札を行い、無人駅から乗車券を持たずに乗車した旅客には車内で切符（パンチ式車内補充券）を発売する。国土交通省関東運輸局の2005年（平成17年）業務監査報告書によると、将来ワンマン運転を実施する計画としていた。「平成26年度の業務監査実施結果及び監査所見に対する回答」（2014年）にはワンマン運転の表記はない。養老渓谷駅 - 上総中野駅間の板谷隧道（トンネル）は千葉県内の鉄道の最高地点になっている。女性を積極的に採用しており、車内で精算業務を行う若い女性の車掌が10名弱勤務しているほか、一部の駅では女性係員が勤務している。2007年には女性運転士も誕生した。運賃設定は2014年（平成26年）11月時点で、10km/410円・40km/1,410円と、一般的な地方ローカル私鉄と同レベルとなっている。なお、1日乗車券が1,800円で、いすみ鉄道と共同で五井駅 - 上総中野駅 - 大原駅間が片道のみ乗車でき（折り返し乗車は不可）、途中下車可能な「房総横断乗車券」が1,700円で発売されているほか、往復割引乗車券（1割引）が全駅間で設定されている。いすみ鉄道いすみ線との乗り換え駅である上総中野駅では、両線の線路が繋がっているが、相互乗り入れの話が出ても、旅客流動上も相互乗り入れのメリットは極めて薄いとされており、両社共に消極的であった。2009年にいすみ鉄道社長に就任した鳥塚亮は小湊鉄道との乗り入れに意欲的な姿勢を示している。「平成26年度の業務監査実施結果及び監査所見に対する回答」（2014年）によれば、他鉄道事業者・路線との乗継割引、直通運転はしていない。交通系ICカードは導入されておらず、導入予定もないと回答している。バリアフリー法に基づき2020年までにバリアフリー化を進める対象である利用者1日3000人以上の駅は存在しないが、路線中の11駅は段差が解消されており、五井駅に関しては「市原市バリアフリー基本構想」を策定して視覚障害者誘導用ブロックの設置を検討している。また、障害者等の移動対処は駅員が行うと回答している。