関西本線
加茂駅以西は電化区間となり、不動山トンネルを抜け木津駅に至る。この辺りには、関西鉄道が路線の買収によってネットワークを構築する過程で放棄された路線が廃線跡として残っている(歴史節を参照)。このほか、不動山トンネル付近ではトンネルの老朽化によって線路が付け替えられた旧線跡がある。加茂駅 - 木津駅間は単線だが、2004年の近畿地方交通審議会答申8号では、この区間を複線化するように答申している。木津駅は奈良線と片町線(学研都市線)が分岐し、奈良・京都・京橋方面への交通の要衝であるが、都市圏から比較的近い割に利用客はさほど多くはない。木津川市(旧木津町)の代表駅ではあるが、JRの木津駅ではなく近鉄京都線の高の原駅や木津川台駅を利用する木津川市民(旧木津町域住民)も多い。木津駅を出ると京奈和自動車道の木津インターチェンジや国道24号などを右に見ながら進み、奈良県に入ると平城山駅となる。すぐ先に佐保信号場があり吹田総合車両所奈良支所への入出区線が分岐する。奈良市北部の新興地域を行くこのあたりは、新しい住宅地と古墳群が同居している。次の奈良駅では桜井線(万葉まほろば線)が分岐する。また奈良線の列車もすべて奈良駅まで運転される。奈良駅付近は高架化の際に、寺社風建築で有名な旧奈良駅舎の撤去が検討されたが、現地付近に保存されることとなった。奈良駅は主要観光地や官公庁・ビジネス街などへのアクセス、バス路線との乗り換えなどにおいて、近鉄奈良駅や新大宮駅に対して劣勢に立ち、JRの京都・大阪方面への競争力も運賃・所要時間・本数面で近鉄より低いため利用者は少ない。
近畿自動車道と大阪中央環状線を潜ったあたりで大阪市平野区に入り、大阪市に入って加美駅の手前で、おおさか東線が右手に分かれる。左手には2009年に廃止された阪和貨物線跡が見える。加美を出て、右手から城東貨物線の単線が並走する。ここからJR貨物の百済貨物ターミナル駅の間は貨物列車が走る。城東貨物線は関西本線上り線(名古屋方面)に接続するため、貨物列車は上下列車とも関西本線の上り線を走行する状態が長く続いていた。しかし2010年の線路付け替え工事によって、貨物線は分離された。平野川を渡ると平野駅。平野駅はホーム2面4線の待避可能駅だが、下り線(JR難波方面)の通過線にはホームがない。平野駅を過ぎ、国道479号(内環状線)を乗り越え、百済貨物ターミナル駅を見ながら高架を駆け上がる。今里筋を乗り越えると東部市場前駅。近鉄南大阪線の高架を望みながら進み、高架の阪和線を潜り、大阪環状線が右から合流すると天王寺駅に到着する。天王寺駅は大阪環状線・阪和線と接続するほか、大阪市営地下鉄御堂筋線と谷町線そして、あびこ筋を挟んで南側には近鉄南大阪線と阪堺電気軌道上町線もあり、日本国内有数の一大ターミナルとなっている。
天王寺駅から今宮駅までの間は大阪環状線と並行している。天王寺駅を出ると、阪神高速14号松原線を潜り、阪堺電気軌道阪堺線と堺筋を乗り越えて新今宮駅に至る。同駅では関西本線と大阪環状線とを同じホームで乗り換えられるような構造となっているほか、南海本線や阪堺電気軌道とも連絡しており、JR難波寄りの階段を上がって改札を出ればすぐに南海の改札がある。
101系:奈良駅 - 湊町駅間 103系:名古屋駅 - 亀山駅間、加茂駅 - JR難波駅間 113系:名古屋駅 - 亀山駅間、加茂駅 - 湊町駅間 165系:名古屋駅 - 亀山駅間 213系:名古屋駅 - 亀山駅間 211系:名古屋駅 - 亀山駅間 223系:天王寺駅 - JR難波駅間で関空快速、奈良駅 - 久宝寺駅間で直通快速 381系:加茂駅 - JR難波駅間の「やまとじライナー」
1888年(明治21年)3月1日:大阪鉄道に免許交付。
1889年(明治22年)5月14日:大阪鉄道 湊町駅 - 柏原駅間(10M10C≒16.29km)が開業。湊町駅(現在のJR難波駅)・天王寺駅・平野駅・八尾駅・柏原駅が開業。
1890年(明治23年) 9月11日:柏原駅 - 亀瀬仮停車場間(3M58C≒5.99km)が延伸開業。亀瀬仮停車場が開業。 12月27日:奈良駅 - 王寺間(9M44C≒15.37km)が開業。奈良駅・郡山駅・法隆寺駅・王寺駅が開業。
1891年(明治24年)2月8日:王寺駅 - 稲葉山仮停車場間(1M30C≒2.21km)が延伸開業。稲葉山仮停車場が開業。稲葉山仮停車場 - 亀瀬仮停車場間は人力車連絡。
1892年(明治25年)2月2日:亀瀬仮停車場 - 稲葉山仮停車場間(64C≒1.29km)が延伸開業し、湊町駅 - 奈良駅間が全通。稲葉山仮停車場・亀瀬仮停車場が廃止。
1894年(明治27年)1月29日:全線で3C(≒0.06km)短縮。
1899年(明治32年) 2月28日:全線で7C(≒0.14km)短縮。 3月1日:今宮駅が開業。
1900年(明治33年) 4月23日:関西鉄道への路線の譲渡の契約が成立。 6月6日:大阪鉄道が関西鉄道に路線を譲渡。
この区間は非電化である。現在では単行(1両編成)や2両編成の気動車(キハ120形)で普通列車が走るのみだが、かつては急行列車や貨物列車など長大編成の列車が走っていたため、各駅ともホームや交換設備の有効長が非常に長い。かつては多くの駅に中線(上り線と下り線の間にある待避線)があり、中線があった駅は上り線と下り線の間に中線が撤去された空間が空いている。
この区間は山間部が多い。大和街道に沿っており、木津川と支流の柘植川が見える。
亀山駅からは国道1号と併走して、東海道の宿場関宿の最寄り駅相対式2面2線の関駅に着き、ここから国道1号と重複していた国道25号と並走して相対式2面2線の加太駅に着く。2018年4月の関駅無人化までは加太駅はこの区間では唯一の無人駅であった。この先、鈴鹿山脈と布引山地の境界に当たる加太駅 - 柘植駅間には、加太越えと呼ばれる25 ‰(パーミル)の急勾配があり、蒸気機関車が走っていた頃は多くの鉄道ファンが訪れた。スイッチバック式の中在家信号場(2006年に使用停止、2019年に廃止)があった。信号場の先にある加太トンネルでは、蒸気機関車の煤煙が運転台に充満することを防ぐために、トンネル入り口に遮蔽幕を設置し、列車通過後にこの幕を下ろして列車後方の気圧を下げ、煤煙を列車後方に集める工夫もなされていた。日本全国の急勾配や長大なトンネルで、乗務員の酸欠や窒息事故が多発したため、対策が施された。伊賀市に入り、単式と島式の2面3線の柘植駅では草津線が分岐する。かなり構内が広いが、駅は寂しい。もともと関西鉄道は東海道のルートに沿って草津から亀山へ向かって線路を敷設したため、亀山方面から見ると草津線が直線で、関西本線が左へ分岐するような線形となっている。