この区間は多くが山間部を通り、市街地は佐伯駅周辺と延岡駅周辺のみである。途中の駅はすべて無人駅で、駅舎が残っている駅は少ない。特急もこの区間は約1時間にわたって列車交換のための運転停車以外ノンストップである。また、県境を通るため、ほかの区間に比べて普通列車の本数が極端に少ない。また、この区間はほぼすべてで国道10号と並行している。
中津市街地を過ぎると住宅地は少なくなり、広大な田園風景となる。この沿線の中津平野は大分県屈指の穀倉地帯となっている。宇佐駅をすぎると国東半島基部の立石峠に差しかかる。宇佐駅 - 立石駅間は立石峠を越える区間で、沿線は山間部であり、立石峠では立石トンネルを通る。日出駅以南は国道10号沿いに別府湾を望み、大分市へと入る。別府駅 - 大分駅間は一方は海（別府湾）、もう一方は山（高崎山）という中を走る。大分駅を出て、大分川を渡るとしばらく北側に新日鐵住金大分製鐵所等が建ち並ぶ工業地帯を望む。幸崎駅までは比較的街中を走るが、幸崎駅以南は山の中を走り、トンネルも多くなる。臼杵駅 - 津久見駅間では津久見市の産業であるセメント工場等を垣間見ることもできる。部分的に海岸沿い（豊後水道）も走る。日代駅と浅海井駅との間で豊後二見ヶ浦が見える。
小倉駅 - 城野駅間は北九州の都市部を通り、城野駅 - 行橋駅間は北九州市近郊の住宅地であり、苅田駅付近で大規模工場地帯を望む。行橋駅以南になると住宅地は少なくなり新田原駅・築城駅・椎田駅・宇島駅周辺に市街地を形成している以外は田園地帯が広がるようになる。また豊前松江駅 - 宇島駅間は車窓から周防灘と豊前発電所周辺の工業団地を臨む。吉富駅 - 中津駅間で福岡・大分県境の山国川を渡り大分県中津市へと入り、中津駅に着く。
福岡県北九州市から大分県中津市・大分市・佐伯市、宮崎県延岡市・宮崎市などの東九州の主要都市を経由して九州東部を縦貫し、鹿児島県鹿児島市までを結ぶ路線であり、福岡市・北九州都市圏と沿線各地を結ぶ特急列車などが数多く走っている。路線のほとんどは国道10号と並走しており、車窓から道路を見ることができる（ただし大分-佐伯間では国道197号・国道217号が、宮崎-都城間では国道269号が当線と並走し、国道10号は当線から離れた内陸部を経由）。起点は小倉駅だが、1987年になって西小倉駅に鹿児島本線のホームが設けられたため、小倉駅 - 西小倉駅間が鹿児島本線との重複区間になっている。小倉駅 - 行橋駅間は旅客営業規則の定める大都市近郊区間の「福岡近郊区間」に含まれている。小倉駅 - 幸崎駅間、佐土原駅 - 田野駅間および国分駅 - 鹿児島駅間はIC乗車カード「SUGOCA」の利用エリアに含まれている。ただし、小倉駅 - 幸崎駅間、佐土原駅 - 田野駅間、国分駅 - 鹿児島駅間の各エリアを跨っての利用はできない。一般向けリアルタイム列車位置情報システム「どれどれ」対応路線（小倉駅 - 鹿児島中央駅間の全線）である。スマートフォンアプリ「JR九州アプリ」内で、リアルタイムの列車位置情報が利用できる。また、2018年9月28日より小倉駅 - 行橋駅間で駅ナンバリングが制定され、日豊本線の路線記号はJF、路線カラーは青となった。
「武論尊」のペンネームは、本宮プロで居候時に映画『さらば友よ』を見に行き、チャールズ・ブロンソンに似ているという話になって本宮プロのスタッフから「ブロンソン」のニックネームで呼ばれるようになり、「ブーちゃん」というニックネームとして定着していたため、デビュー時に漢字を当てて「武論尊」（ぶろんそん）とした。なお似ていると言い出したのは自称らしく、他のスタッフに言わせたのが始まりとのこと。男臭い豪快な作品が多い彼の筆名としては、結果的にぴったりなものとなった。「史村翔」のペンネームは、1973年の『球豪伝』の際に、本名である岡村善行をローマ字「OKAMURA YOSHIYUKI」にしてそのアルファベットから組み替えて作った「SHIMURA SYO」（しむら しょう）に漢字を当てたものが初めに考案された。講談社の担当が「し」に当てる漢字を「史」に変更して「ふみ」と読むことを提案して、「史村翔」（ふみむら しょう）に決定された。作品によって「武論尊」と「史村翔」の名義を使い分ける。これは人気漫画となっていた『ドーベルマン刑事』連載中に『週刊少年ジャンプ』編集部が他誌での連載を許さない「専属契約」締結を求めたが、他誌でもやりたいこと（『ファントム無頼』）があったため拒否して揉めた事が原因である。結局フリーのまま『ドーベルマン刑事』を続けることになり、「武論尊」名義では主に集英社での連載で、「史村翔」名義では集英社以外での連載で使い分けることになった。しかし「strain」執筆時に作画担当の池上遼一よりリクエストを受け「武論尊」名義を使用してからは、アクション系の作品では「武論尊」、それ以外でのコメディー系やシリアス系の作品では「史村翔」と作風によって使い分けている。近年の仕事は「武論尊」名義が多くなっているため、付き合いの古い編集者からは「史村さん」、若い編集者からは「ブー先生」と呼ばれることが比較的多いという。