日豊本線
昼行列車として、博多駅発着の特急「ソニック」が当線の小倉駅 - 佐伯駅間で、また、大分駅発着を基本として一部が小倉駅・佐伯駅を発着する特急「にちりん」、博多駅発着の特急「にちりんシーガイア」が小倉駅 - 南宮崎駅間で運転されている。一部の「にちりん」と「にちりんシーガイア」は宮崎空港駅まで直通している。2017年3月4日より、一部特急列車でワンマン運転が開始された。
九州島内完結の夜行列車として、2011年3月12日のダイヤ改正までは「ドリームにちりん」が博多駅 - 南宮崎駅・宮崎空港駅間で運転されていた。
別府駅 - 大分駅間には久大本線・豊肥本線直通の特急も走るほか、延岡駅 - 南宮崎駅間で「にちりん」の宮崎県内区間を補完する特急「ひゅうが」や、宮崎駅 - 鹿児島駅間で特急「きりしま」も運転されている。「きりしま」は2004年3月の九州新幹線一部開業に伴うダイヤ改正で、霧島神宮駅・国分駅発着の列車が増発され、観光客の輸送や、鹿児島地区でのホームライナーとしての役割も担っていた。2011年3月の九州新幹線全線開業に伴うダイヤ改正では、霧島神宮駅・国分駅発着の「きりしま」を削減し、一部の列車の運転区間を宮崎駅まで延長して、同駅発着の「きりしま」が増発された。これにより、宮崎県西部からの新幹線アクセス特急としての役割も担うようになった。
九州鉄道・豊州鉄道→豊州本線
1895年(明治28年) 4月1日:九州鉄道が小倉駅 - 行事駅間を開業(小倉駅 - 小倉総合車両センター付近は1891年4月1日に九州鉄道本線の一部として既設)。城野駅・刈田駅・行事駅が開業。 8月25日:行事駅が廃止。行橋駅が開業(豊州鉄道の駅として既設)。 10月25日:曽根駅が開業。
1897年(明治30年)9月25日:豊州鉄道が行橋駅 - 長洲駅間を延伸開業。新田原駅・椎田駅・松江駅・宇ノ島駅・中津駅・今津駅・四日市駅・長洲駅が開業。
1898年(明治31年)3月1日: 長洲駅が宇佐駅(初代)に改称。
1901年(明治34年) 5月25日:大貞駅が開業。 9月3日:九州鉄道が豊州鉄道を合併
1904年(明治37年)2月12日:北篠崎聯絡所・紫川聯絡所・南篠崎聯絡所が開設。
1907年(明治40年) 7月1日:鉄道国有法により九州鉄道を買収、官設鉄道の路線となる。 11月1日:宇ノ島駅が宇島駅に、刈田駅が苅田駅に改称。
1909年(明治42年) 10月12日:国有鉄道線路名称の制定により、小倉駅 - 柳ケ浦駅間が豊州本線になる。 10月15日:宇佐駅(初代)が柳ケ浦駅に改称。 12月21日:柳ケ浦駅 - 宇佐駅間が延伸開業。宇佐駅(2代)が開業。
1910年(明治43年)12月15日:宇佐駅 - 中山香駅間が延伸開業。立石駅・中山香駅が開業。
1911年(明治44年) 3月22日:中山香駅 - 日出駅間が延伸開業。杵築駅・日出駅が開業。 4月22日:豊前長洲駅が開業。 7月16日:日出駅 - 別府駅間が延伸開業。
この区間は両端の佐伯駅・延岡駅を拠点に並行して路線バスが運行されている。佐伯 - 重岡間は佐伯市コミュニティバス(休日は運休)が、延岡 - 北川間は宮崎交通の路線バスが運行されており、いずれも本数は少ないものの普通列車の運行がない時間にも移動が可能である。ただし、県境を挟む区間(重岡 - 宗太郎)では路線バスの運行も行われていない。
この区間は、2007年3月17日まで457・475系で運行されていた。その後は2009年9月30日まで717系で、2018年3月17日までキハ220形気動車で運転され、翌3月18日のダイヤ改正より重岡駅折り返し列車は815系、延岡駅・南延岡駅発着列車は特急用の787系での運転に変更となった。787系で運転される列車では車掌が乗務するほか、先頭車両のみドア・客扱いを行う。普通・グリーン併設車が先頭車両になる下り列車では、グリーン車自由席も営業する(グリーン券は車内で販売)。 また普通列車の本数が少ないが、特急列車は1日8.5往復あり、おおむね1-2時間に1本通過するため、この区間のすべての停車場(駅・信号場)に交換設備が設けられている。1993年3月から2020年10月までは一部時期を除き、毎時1往復の特急列車が運転されていた。
宇佐駅 - 杵築駅間と臼杵駅 - 佐伯駅間は本数が少なく、日中は2時間以上開く時間帯がある。この区間は大分車両センターの815系を中心に、一部南福岡車両区の813系で運転される。ワンマン運転時は自動券売機が設置されていない駅(現在は西屋敷駅・狩生駅のみ)でもホーム側すべてのドアが開き、乗車券および運賃は駅員に渡すか運賃箱に入れる。また、2009年10月1日より佐伯駅 - 延岡駅間でもワンマン運転が開始され、この区間で使用するキハ220形送り込みのため、大分駅 - 佐伯駅間の普通列車のうち2往復がキハ220形気動車での単行運用に変更されたが、2018年3月17日ダイヤ改正でキハ220形での運行を終了した。
2008年8月23日までは豊肥本線・久大本線からの普通列車が日出駅まで直通運転されていたが、大分駅高架化事業に伴い豊肥本線・久大本線が同年8月24日に先行して高架化され、高架化が完了していない日豊本線との間の乗り入れができなくなったため、後述の「九州横断特急」を除き乗り入れを終了した。2012年3月17日には日豊本線も高架化されたが、その時点で普通列車の直通は復活しなかった。2015年3月14日のダイヤ改正で普通列車の直通運転が復活し、亀川駅発着の気動車列車として、中判田・三重町発亀川行き、亀川発向之原行き、亀川発大分行きが設定されたが、2018年3月17日のダイヤ改正で再び廃止となった。
宮崎駅 - 川口駅間の貨物線、蓮ケ池駅(初代)が廃止。
宮崎本線
1920年(大正9年)9月11日:広瀬駅 - 高鍋駅間が延伸開業。高鍋駅・三納代駅・広瀬駅(2代)が開業。広瀬駅(初代)が廃止。宮崎駅 - 広瀬駅間が妻軽便線から宮崎本線に編入され、吉松駅 - 宮崎駅 - 高鍋駅間が宮崎本線、広瀬駅 - 妻駅間が妻軽便線になる。
1921年(大正10年) 6月11日:高鍋駅 - 美々津駅間が延伸開業。美々津駅・都農駅・川南駅が開業。 10月11日:美々津駅 - 富高駅間が延伸開業。富高駅・岩脇駅が開業。 10月11日: 細島軽便線(のちの細島線)富高駅 - 細島駅間が開業。
1922年(大正11年)2月11日:富高駅 - 南延岡駅間が延伸開業。南延岡駅・土々呂駅・門川駅が開業。 5月1日:南延岡駅 - 延岡駅間が延伸開業。延岡駅が開業。 10月29日:延岡駅 - 日向長井駅間が延伸開業。日向長井駅が開業。
1923年(大正12年) 7月1日:日向長井駅 - 市棚駅間が延伸開業。市棚駅が開業。 12月15日:市棚駅 - 重岡駅間が延伸開業。豊州本線と宮崎本線が統合され、小倉駅 - 吉松駅が日豊本線になる。宗太郎信号場が開設。
481系・485系 特急「にちりん」「ソニック」「ひゅうが」「きりしま」及び朝晩の「さわやかライナー」「ホームライナー」、1975年の山陽新幹線博多延伸開業以前には新大阪駅 - 大分駅間で運転されていた特急「みどり」、大阪駅 - 宮崎駅間の特急「日向」で使用された。2011年3月12日ダイヤ改正で定期運行を終了、2015年に臨時列車としての運用も終了した。 581系・583系 寝台特急「彗星」の一部と、その間合い運用で「にちりん」の一部で、また山陽新幹線博多駅延伸開業以前には新大阪駅 - 大分駅間の特急「みどり」にも使用された。 457系・475系 急行「べっぷ」「日南」「ゆのか」などで使用。急行廃止後は柳ケ浦以南の普通列車に転用。新型車両投入に伴い2007年までに全車運用離脱。 421系・423系 佐伯駅以北の普通列車で415系とともに使用された。 717系 主に大分(杵築以南)・宮崎・鹿児島地区の普通列車で使用された。817系など新型車両の追加投入に伴い徐々に運用を縮小、2013年までに全車が定期運用を離脱した。 783系 1990年に大分駅以北の「にちりん」の一部に投入。1996年3月に一旦撤退するも2000年3月から「ソニック」「にちりんシーガイア」「ドリームにちりん」運用で復帰。「ソニック」は翌年に運用を外れたが「にちりん」「ひゅうが」での運用を開始(「にちりん」としては復帰だが宮崎系統の列車としては新規)し、2011年3月には「きりしま」での運用も始まった。2021年3月改正でこれらの特急削減と787系の運用増加により日豊本線内での定期運用が消滅した。