関門トンネル (山陽本線) 運用
また交直接続箇所においては、地上切替方式を採用しないのであれば、高価な交直両用の機関車を必要とする。交直接続箇所から西側をすべて交直両用機関車で牽引すれば、機関車の総所要両数は減るが、高価な交直両用機関車の所要数が増加する。一方、交直両用機関車による牽引を交直接続箇所をまたぐ区間に限定して、西側では交流専用の電気機関車を使うものとすれば、交直両用機関車の所要数は減るが機関車の総所要両数が増加となる。しかし、関門トンネルは急勾配の長大トンネル区間であり、もともと高速運転をしないうえに、電動機に電流を流して走る時間も短く、加えてトンネル内は一定の気温であることから発熱の観点で有利になる。さらに短区間であることから蒸気暖房用の蒸気発生装置を搭載する必要もないとして、この区間に限れば交直両用の機関車としては安価な専用機関車を設計できるものとされた。こうした点を考慮し、最終的に山陽本線を直流、鹿児島本線を交流で電化し、門司駅構内を交直接続点とする方式が決定された。
こうして電化が推進されることになった。通常は既存の電化区間をそのまま延長していくが、そうなると九州への電化の到達はかなり先のことになり、日本有数の重工業地帯で当時輸送量が急増していた北九州地区の輸送需要に応えることができないという問題があった。そこで飛び地となるが、山陽本線の小郡以西と九州島内を先に電化する方針となった。
こうして1961年（昭和36年）6月1日に山陽本線小郡（のちの新山口駅） - 下関間と、鹿児島本線門司港 - 久留米間の電化が完成した。このために交直両用の421系電車が製作・配置され、関門トンネルを通過して山陽本線と鹿児島本線を直通する運転を開始した。北九州の通勤輸送対策のためにこの電化開業では、交直両用電車を投入して一部の客車列車を置き換えあるいは増発することが先行することになり、この時点では客車や貨車を牽引する機関車については従来のEF10形が引き続き用いられた。EF10形は直流専用であるため、門司駅構内の内側の関門トンネルから列車が出入りする線路から門司操車場に至る区間はこの時点では暫定的に直流電化のまま残され、外側の鹿児島本線の線路が交流電化され、交直デッドセクションは暫定のものが小倉側の山陽本線と鹿児島本線の分岐部に設置された。
関門トンネル区間用の交直流電気機関車としては、EF30形電気機関車が開発された。1961年（昭和36年）8月から10月にかけて、量産形のEF30形が門司に配置され、8月から順次営業運転を開始し、10月1日から本格的に運用を開始した。代わって、EF10形は関門間の運用から外れ、直流電化区間へ順次転出していった。これにより、交直デッドセクションを本来の位置に移設する工事が行われ、1962年（昭和37年）3月2日から門司駅構内は全面的に交流電化となった。本来の交直デッドセクションの位置でも、下り線の旅客線と上り線の旅客・貨物線はともに関門トンネル出口付近のシーサスクロスポイント（両渡り線）付近にあるが、下り線の貨物線は上下ホームの間をさらに進んだ小倉側に設置されており、これはトンネル出口の上り勾配で列車が停止してしまった場合に、再発進しても十分加速できないままデッドセクションのために惰行しなければならなくなる危険を回避するためだとされている。
1964年（昭和39年）10月1日には、山陽本線の全線電化が完成した。このとき、東海道新幹線も同時に開業したことから、在来線の東海道本線での運用を終えた151系電車が山陽本線での運用になり、特急「はと」「つばめ」として九州まで直通で乗り入れることになった。しかし151系は直流専用であったため、電源車としてサヤ420形を連結したうえで、九州島内では電気機関車で牽引されて走ることになった。この運行は1年で終わり、交直両用の特急電車として481系電車が1965年（昭和40年）10月1日から使用されるようになった。同時に急行用の475系電車も投入されて、関門トンネルを往来するようになった。
1958年（昭和33年）3月9日には、国道2号の関門トンネルが開通した。この国道トンネルは、鉄道トンネルに1年遅れて着工したものであったが、戦後しばらくの間工事が中断していたものであった。鉄道のトンネル関係者は、鉄道トンネルもあと1年着工が遅れていたら、戦争の混乱に巻き込まれて戦後まで工事がダラダラと伸びていたかもしれないとしている。道路トンネルは、鉄道のトンネルに比べて急勾配を許容できることから、海峡の幅がもっとも狭い早鞆の瀬戸を通過している。このトンネルの開通により需要が減少した関門連絡船は、1964年（昭和39年）10月31日限りで廃止となった。
続いて1973年（昭和48年）11月14日には高速道路の関門橋が開通した。この橋も、最狭部にかけるのが最適であるとして早鞆の瀬戸の通過となった。そして、1975年（昭和50年）3月10日には山陽新幹線が博多駅まで開通し、新関門トンネルが供用を開始した。新幹線についても、高速走行のために曲線半径を大きくする必要から、早鞆の瀬戸を通過することになった。こうして関門海峡を横断する交通路は合計4本となっている。
1972年（昭和47年）11月6日に発生した北陸トンネル火災事故により、長大トンネルの火災対策が実施されることになった。関門トンネルは対策を実施する長大トンネルの条件には含まれていなかったが、海底トンネルであり、かつ通過列車本数が多いという条件から同様の対策が実施されることになった。このために消火設備や避難誘導の設備の準備、電話機の設置などの諸対策が実施された。このときに設置された消火器は、塩分を含む漏水があり湿度が高いという条件のため、保守には手間がかかることになった。
1973年（昭和48年）には、貨物列車の増発用として新たに国鉄EF81形電気機関車が2両配置された。先に配置されていたEF30形が関門トンネル区間専用の設計であったのに対して、EF81形は国鉄在来線電化区間の3電源方式にすべて対応する標準形の交直流両用電気機関車であり、関門トンネル区間に投入されたのは塩害対策等の改良を実施した300番台となった。この機関車は、1974年（昭和49年）に寝台特急増発用としてさらに2両が増備された。ただし、これらの4両は貨物列車の牽引に必要な重連総括制御装置が搭載されておらず、旅客列車の牽引に限定して使用されていた。
しかしその後、余剰となる機関車が発生し、1978年（昭和53年）にはEF81形が2両常磐線へと転出したが、1984年（昭和59年）と1985年（昭和60年）に1両ずつ門司機関区へ戻された。この時期になるとEF30形が老朽化してきたことから、1978年（昭和53年）にまず試作車の1両が廃車となり、1984年（昭和59年）からは量産車の廃車が始まった。そして、EF81形の基本形から改造して製作された400番台14両が1986年度（昭和61年度）に投入され、1987年（昭和62年）3月末でEF30形の運用が終了した。
1987年（昭和62年）4月1日に国鉄分割民営化が実施されると、関門トンネルは九州旅客鉄道（JR九州）が承継した。これは、関門トンネルは九州の人が本州に来るときに使うものだから、九州が担当すべきとの理由で決められたという。下関駅を管理する西日本旅客鉄道（JR西日本）との境界は下関駅構内の九州側の外れにある。
2005年（平成17年）10月1日のダイヤ改正では、JR西日本所有の気動車による関門トンネル通過運用がなくなり、気動車の関門トンネル通過が定期では全廃となった。同時に、JR九州からの山陽本線方面への直通列車もなくなり、九州からの列車は下関駅で折り返しとなった。
2007年（平成19年）3月18日ダイヤ改正からEH500形が関門地区に投入され、関門トンネルを抜ける貨物列車の牽引を担当するようになった。同時に1,300トン貨物列車の北九州貨物ターミナル駅までの乗り入れが開始された。2009年（平成21年）3月14日のダイヤ改正により、寝台特急「富士」「はやぶさ」が廃止となり、関門トンネルを通過する旅客列車は415系による折り返し運転の電車のみとなった。2011年（平成23年）3月12日ダイヤ改正で、EF81形牽引の貨物列車が臨時1往復のみとなり、またEH500形が福岡貨物ターミナル駅まで1,300トン貨物列車を牽引しての直通運転を開始した。翌2012年（平成24年）3月17日ダイヤ改正で、EF81形による臨時1往復の設定も無くなり、関門トンネルの貨物列車は完全にEH500形が牽引するようになった。
2020年（令和2年）11月に、JR九州門司保線区は関門トンネル開業77周年で自社建物内に整備してきた「関門トンネル記念館」を公開した（観覧は要予約）。