佐世保線
2010年4月5日に鉄道・運輸機構は肥前山口駅 - 武雄温泉駅間の複線化・路盤強化費用が約175億円となる、という試算結果を発表した。JR九州の試算と異なり、高橋駅 - 武雄温泉駅間については高速化に対応させるため腹付線増ではなく新たに複線を新設するため費用が膨らんだ、としている。そのため、佐賀県の負担額は約47億円に増大することになるため、佐賀県知事の古川康は改めて同区間の複線化事業の早期着工と「整備新幹線扱い」の適用を求めた。
2011年12月に政府は九州新幹線(西九州ルート)について、すでに着工してる武雄温泉 - 諫早間に加えて、諫早 - 長崎間の新規着工並びに肥前山口 - 武雄温泉間の複線化事業を一体として整備新幹線事業として扱い、軌間可変電車(フリーゲージトレイン)を導入することを決定した。これについて佐賀県知事の古川康は歓迎する見解を示した。しかし、大町町長の武村弘正は町内に踏切が8か所あることで渋滞や事故の危険性、町内南北の往来に支障が出るとして改めて町内区間の高架化を求める意向を示した。
2012年6月に国土交通省は西九州ルートの工事実施計画を認可した。これにより、佐世保線 肥前山口 - 武雄温泉間(12.8 km)には現行の特急列車や普通列車に加えてフリーゲージトレインが上下合わせて60本程度運行されることになり、線路容量を確保するためにこの区間の複線化に向けて環境影響評価が行われた。
電車 783系(全線、特急みどり(リレーかもめ)・ハウステンボス) 787系(毎週月曜日のみ全線、他の日は江北駅 - 武雄温泉駅間、特急リレーかもめ・36ぷらす3) 885系(全線、特急リレーかもめ・みどり) 811系(全線) 817系(全線)
気動車 キハ47系(江北駅 - 早岐駅間)- 2022年9月23日から YC1系(全線) - 江北駅 - 早岐駅間は2022年9月23日から キハ40系・キハ140系(江北駅 - 早岐駅間、特急ふたつ星4047) - 2022年9月23日から
客車 77系(全線、ななつ星in九州)
機関車 DF200形7000番台(全線、ななつ星in九州)
過去には485系、415系、813系、キハ58系、キハ65系、キハ200系、キハ66・67系なども使用されていた。
885系は2002年10月から2003年3月までは「みどり」の1往復に使用されたが、佐世保線内は臨時列車扱いだったため、定期列車として佐世保線に入線したことはなかった。2022年9月23日の西九州新幹線の開業に伴うダイヤ改正で、885系が定期列車としては初めて佐世保線に入線するようになり、約19年ぶりの佐世保線への入線となった。また、同日までラッシュ時の普通列車に使用されていた415系が811系に置き換えられ、定期列車としては約20年ぶりの佐世保線への入線となった。
佐世保線内は特急以外の列車は、快速・区間快速「シーサイドライナー」も含めて全ての列車が各駅に停車する。運転系統は基本的に早岐駅で分かれており、佐世保線全線を通して運転する普通列車は午前中の下り2本・上り3本のみとなっている。かつては半数強の列車が佐世保駅まで直通していたが、2018年3月17日のダイヤ改正で大半の列車が早岐駅で系統分割された(なお江北駅 - 早岐駅間を運転する普通列車の本数自体は変更されていない)。
江北駅 - 早岐駅間は1 - 2時間に1本程度運行され、一部の列車は長崎本線の鳥栖駅まで直通、1往復のみ鳥栖駅からさらに鹿児島本線に直通する列車も設定されており、下りは吉塚駅→早岐駅間、上りは早岐駅→門司港駅間で運行されている。吉塚駅始発の列車は2012年3月17日のダイヤ改正まで山陽本線下関駅始発で運行されていたが、門司港駅始発に変更され、2014年3月15日のダイヤ改正から現行の運行区間となっている。早岐駅発着の普通列車のうち1往復は、江北駅で長崎本線肥前浜駅発着の普通列車と分割・併合を行っており、「かもめ」と「みどり」の併結運転終了以降は、江北駅で分割・併合を行う唯一の多層建て列車となっている。