中山工区は熊谷組に対して発注され、1972年（昭和47年）7月20日に着工した。中山工区は当初計画では大宮起点112 km100 m地点から114 km900 m地点までの2,800 mを担当することになっており、112 km640 m地点の下り列車に対して本線右側20 mの離れの地点に立坑を建設して取りついた。立坑の地表面から施工基面までの深さは277.9 m、施工基面より下にさらに35.0 m掘り、総深度は312.9 mである。立坑の内径は6.0 mである。中山立坑の地点では、基盤となる緑色凝灰岩層が隆起しており、立坑の313 mの深さのうち250 mほどが基盤の中に入っていた。このため四方木・高山の両立坑と異なり、工事中に湧水に悩まされることはほとんどなく順調に工事が進められた。他の立坑が難航を続ける中、中山立坑は1973年（昭和48年）10月12日には深さ313 mまでの掘削を完了した。その後バントン工事を1974年（昭和49年）1月31日から5月3日までかけて施工した。なおこの中山立坑は、本坑の工事完成後は保線作業や渇水対策事業などで使用する見込みがなかったため、埋戻しが行われている。下部にはコンクリートを流し込み、その上は土砂を上部から投入して、コンクリートで蓋をして埋められている。
建設工事は6つの工区それぞれにおいて行われた。以下工区別に、本坑への取り付きのための立坑や斜坑の工事を四方木、高山、中山、小野上工区の順にまず説明する。続いて本坑の工事を両端から工事した名胡桃工区、小野上南工区を先に説明し、また立坑を用いた工区の本坑工事については、大きな問題のなかった中山工区を最初に、四方木工区における本坑工事と1回目の出水事故とその復旧工事および1回目のルート変更、高山工区における本坑工事と2回目の出水事故とその復旧工事と2回目のルート変更、そしてトンネルの完成の順番で説明する。最後にトンネル工事に伴う渇水対策を説明する。
1971年（昭和46年）に当初の工事実施計画が認可された時点では、上越新幹線の完成は1976年度（昭和51年度）と設定されていた。約5年の工期は、東海道新幹線や山陽新幹線の実績を考えれば、それほど無謀な設定ではなかった。しかし建設中の1973年（昭和48年）には第一次オイルショックに見舞われ、建設予算の削減や新規発注の凍結が行われ、工事の遅れに直結した。中山トンネルでは、当初完成予定のはずの1976年度の時点で四方木や高山の立坑がようやく完成して本坑の工事に入る段階で、工事が大幅に遅れていることは明らかであった。こうしたことから、1977年（昭和52年）3月24日の工事実施計画変更申請、同3月30日認可により、完成予定は1980年度（昭和55年度）へと延期となった。しかし出水事故などに見舞われて工期はさらに遅延することになり、1980年（昭和55年）12月24日には1982年（昭和57年）春に東北・上越新幹線を同時開業させる方針が発表された。ところが中山トンネルで2回目の出水事故が発生して、最終的に東北新幹線との同時開業の断念に追い込まれた。結局上越新幹線は1982年（昭和57年）11月15日の開業と決定し、これに間に合わせるべく突貫工事を続け、中山トンネルを同年3月に完成させた。
中山トンネルは、大宮起点101 km 710 m地点から116 km 540 m地点に至る区間にある。このためトンネルの長さは14,830 mのはずであるが、実際にはトンネル内に2か所の重キロ程（キロ程の重複地点、詳細は後述）があり、27 mが加算されて全長は14,857 mとなっている。トンネル内での勾配は、大宮方から新潟方へ向けて12パーミルの上り片勾配として計画されていたが、実際に完成したトンネルでは一部に11.9パーミル区間がある。平面線形は、トンネル中間付近で下り列車に対して右へ半径6,000 mの曲線と、トンネル出口付近で下り列車に対して左へ半径4,000 mの曲線が計画されていた。これは建設中の2回にわたるルート変更により、半径1,500 mの曲線が挿入されている。トンネルが通過している地域は子持山と小野子山の間の鞍部にあたり、標高400 - 650 m程度の高原地帯で、土被りは200 - 400 m程度である。
モハ80形は、1927年に増備されたモハ20形と同系の半鋼製制御電動車で、豊川鉄道向けに2両が大阪鐵工所で製造されたものである。製造当初は三等郵便荷物合造の付随車でサハユニ201, 202と称したが、1930年（昭和5年）4月に電装され、モハユニ201形 (201, 202) となった。この際に装備された電動機はTDK528A (74.57kW) で、これを4個装備する強力車となった。歯車比は、26:54である。1938年（昭和13年）4月には、三信鉄道が全通したことにより、同社のデニ201形が乗り入れるようになったことから全室三等室に変更し、モハ80形 (81, 82) となった。そのため窓配置は変則的で、1D6D51D1である。運転台は、当初は両側にあったが、戦時中にクハ100形と編成を組むため、後位側が撤去されて片運転台式となっていた。国有化後も豊橋機関区にあって飯田線で使用されたが、1948年に再び両運転台となった。1950年には、前位側の運転台両側に乗務員扉が設置するとともに、制御機器や電動機は標準化され、国鉄制式のものに交換されている。1952年4月に両車とも宇部電車区に移って宇部・小野田線用になったが、1953年に横川電車区（可部線）に移った。また同年6月には車両形式称号規程改正によりモハ1620形 (1620, 1621) と改められたが、1956年3月には廃車となり、両車とも三岐鉄道に譲渡された。