直通運転にあたっては、実施する両路線の軌間や電化方式などの規格を揃えるのが通常である。しかし、現に営業している路線においてこれらを変更するには多大なコストがかかるため、車両の側で複数の方式に対応できるようにすることで、地上設備の大規模な改修を避ける例も多く見られる。直通運転を実施する路線の軌間が異なる場合は、軌間をどちらか一方に合わせて改軌する（京成電鉄など）か、両方の車両が走行できるように三線軌化（箱根登山線など）が行われる。車両側で対応する例としては、スペイン・フランス国境のタルゴのように軌間可変車両を導入したり、中国とロシア・モンゴルの国境のように台車の交換により直通を実施するものがある。この場合、接続部にはそのための地上設備が設けられる。電化方式が異なる場合には、電化方式を一方に合わせて変更するか、複数の異なる電化方式でも走行できる設備を備えた車両（複電圧車や交流直流両用車両等）を導入して対応する。また、非電化区間へは電車はそのままでは乗り入れられないが、電車を機関車で牽引することによって直通運転を実施する例がある。この場合、車内照明や空調等のサービス電源をまかなうため、発電機の搭載や電源車の連結が行われる。また、直通運転する区間では案内表示の交換・新設がなされるほか、直通路線間の接続駅では、線路配線や信号設備の変更、ホームの新設などが行われる。直通運転により乗り入れてくる車両の規格に対応させるために路線全体の地上設備（直々セクションの設置など）を改修する場合もある。運用の変更に伴い車両基地の改修・新設・移転などを実施する場合もある。
例として2013年3月16日に開始された東急東横線・東京メトロ副都心線の直通運転を挙げる。この直通運転では、従前より行われていた直通運転とあわせ、横浜高速鉄道みなとみらい線・東武東上線・西武有楽町線・西武池袋線の各線が結ばれた。東武東上線沿線の川越市を訪れた観光客は630万人を超え、これは川越を舞台にしたNHKの連続テレビ小説「つばさ」が放送された2009年を上回る過去最高のものである。川越市の観光課によると、2013年4月から12月は神奈川県からの観光客が全体の約13%を占め、前年比で約6ポイント増えたという。一方で横浜市への観光客も増加し、横浜高速鉄道によると、2013年4月から2014年2月までのみなとみらい線内の6駅の利用者数は前年比で約9.4%増加の約6370万人となり、沿線に大型商業施設を抱えるみなとみらい駅は約20%、元町・中華街駅は約7.6%増加した。みなとみらい線沿線のホテル宿泊者や横浜駅周辺の百貨店利用者も増加した。これに加え、沿線の私立学校の受験者の増加や、比較的割安だった東上線沿線の不動産価格の上昇も伴い、埼玉西部や神奈川で沿線の商業面にプラスの効果を生み出した。
日本では、大都市の地下鉄が郊外への私鉄路線と直通運転するものや、JR・国鉄から経営分離された第三セクターがJRと直通運転するものなどが代表的である。その形態は一様でなく、事実上一体的に運行されているが運営事業者が異なるために直通運転と表現されるものから、特急などの限られた列車のみが乗り入れているものまでさまざまである。ヨーロッパやアジアにおいては複数の国にまたがって国際列車が運行されている。一方で、日本で見られるような地下鉄と郊外鉄道との直通運転は行われていない都市も多く、あるいは地下鉄と郊外鉄道が一体的に運営されている例もある。貨物列車に対して使われることもあるが、貨物列車は通常複数の路線にまたがって広域的に運行されることから、旅客列車の場合と比較すると一般的な用法ではない。なお、1960年代までの車扱貨物による鉄道貨物輸送が主流の時代、私鉄が所有する貨車が国鉄の貨物列車に連結されて、国鉄線上を運行したケースも多く、「直通貨車」と呼ばれた。→貨車#所有者別の分類を参照また、同一路線内であっても通常乗り換えが必要な区間を通して運転することを指して使われる例もある。日本においては、ほとんどの鉄道事業者が施設・車両の保有と列車の運行の両方を担っていることから、事業者間の直通運転で用いられる車両を保有する事業者の違いを区別して表現することがあり、相互の事業者の車両を用いるものを相互乗り入れ（相互直通運転および双方向直通運転）、片方の事業者の車両が一方的に他方の事業者の路線へ乗り入れて運行するもの、自社の路線の車両は乗り入れないが、他社の車両が自社の路線に乗り入れることを片乗り入れ（片方向直通運転および一方向直通運転）という。
1953年、14歳で寄宿学校を卒業。ほどなく母マグダ・シュナイダーの主演映画『再び白いライラックが咲いたら』に出演する話がもち上がり、カメラテストに合格、マグダの娘役でドイツ映画界にデビュー。このデビュー作のみ、ロミー・アルバッハ＝シュナイダーの名を使っている。（以下、「ドイツ」は当時の西ドイツ、「ベルリン」は西ベルリンのこと）順調に役がつき、3作目の『女王さまはお若い』で主役のヴィクトリア女王役に抜擢される。翌1954年、同じエルンスト・マリシュカ監督でオーストリア皇后エリーザベトを演じたオーストリア映画『プリンセス・シシー』が大ヒット。全ヨーロッパで2500万人を動員し、ロミーは16歳にして一躍ヨーロッパ映画界のトップスターとなる。しかし、固定化された（ロミー曰く）「お粥みたいにくっついて離れない」“ロミー・シュナイダー＝シシー”のイメージは生涯にわたってロミーを苦しめることになる。これ以降、ロミーのドイツ、オーストリアでの出演作の役は大衆向け娯楽作の甘い無害な歴史ロマンスのヒロインや清純な乙女といったものばかりになり、女優としての成長を望むロミーはしだいに苛立ちを感じるようになる。しかしステージママ化した母マグダと継父の実業家ハンス・ヘルベルト・ブラッツハイム (Hans Herbert Blatzheim) （莫大なロミーのギャラを自身の事業に投資していたが後に破産）は1956年『若き皇后シシー』、1957年『ある皇后の運命の歳月』とロミーをシシーの続編に出演させた。後に「『シシー・Ⅱ』の出演が決まったと聞かされたとき、目の前が真っ暗になった」とまでロミーは語っているが、嫌々演じたというのに、この2作も大ヒットしてしまう。母と継父は『シシー・Ⅳ』への出演もロミーに強要しようとしたが、20歳のロミーは目の前にギャラとして100万マルク（現在の6億円くらい）を積まれても首を縦には振らなかった。「私はシシーなんかじゃない。分かっていたのは私だけ。役として演じはしたけど、私は夢のようなお姫さまとは似ても似つかない人間だった」