筑豊本線
冷水峠を挟み同一県内ながらも福岡都市圏を迂回するため、輸送需要は少ない区間である。1日8往復(土曜・休日は昼間に臨時列車1往復運転)のみの運転で、平日は4時間程度間隔が開く時間帯がある。2005年3月1日のダイヤ改正以後は全列車が桂川駅 - 原田駅間の運転となっている。現在は途中駅の交換設備が全駅とも撤去されているため、この区間では上下列車の交換(行き違い)は不可能で、1閉塞での運転になる。
このほか、直方駅 - 新飯塚駅・桂川駅間に後藤寺線及び原田線の車両の送り込み回送がある。かつて原田線の車両は運行の無い昼間の時間帯に新飯塚駅の引き上げ線に留置していたが、現在は直方駅まで回送されている。原田線では夜間滞泊はなく、始発前に直方運輸センター - 桂川駅間で回送運行される。昼前に一度運用を終えて直方へ回送するが、その後別の車両が昼過ぎに再び桂川駅へ回送され、最終列車運行後に直方へ回送する。また、直方 - 熊本・鹿児島の各車両センター間での車両転属・送り込み回送でも、当線を経由して運行されることもある。
筑豊本線(原田線)で現在運用されているキハ40
筑豊本線(原田線)で運行されていたキハ31(桂川-上穂波)
交換設備が撤去された原田線の筑前内野駅
キハ66形・キハ67形 - 筑豊本線全区間で使用された。電化時に長崎鉄道事業部長崎運輸センターにすべて転属した。 キハ125形 - 大分鉄道事業部大分車両センター所属。原田線で使用されていたことがある。 キハ200系 - 快速「赤い快速」を中心に使用された。電化時に他区に分散して転属した。
客車 50系 - 門司港運転区所属。電化前に全線(一部鹿児島本線乗り入れ)で朝夕ラッシュ時を中心に運行されていた。1995年4月20日のダイヤ改正以降は現在の原田線区間から撤退し若松・門司港 - 飯塚間の2往復のみとなったが、1999年に久大本線で客車普通列車が廃止されたため、定期運行の快速列車ではない列車としてはJRグループ最後の客車普通列車となり注目を集めた。しかし、2001年の当線一部電化により廃止された。
機関車 蒸気機関車 - 昭和20年代から40年代は軸重が許す限りにおいてC51形・C55形・C57形など幹線用パシフィック機の亜幹線転用先となっていた。客貨両用でD51形・D50形・9600形・D60形など。1975年まで使用された。 DD51形ディーゼル機関車 - 日本貨物鉄道(JR貨物)門司機関区所属。客車列車・貨物列車が廃止されるまで使用された。