紀勢本線
列車の編成は、DD51形ディーゼル機関車2両(重連運転)とワム80000形有蓋車20両前後(6両は紀伊佐野行き、残りは鵜殿行き)、タキ5450形タンク車数両で、最後尾にはヨ8000形車掌車が1両連結されていた。
1994年9月にワム80000形による輸送が廃止され、これに代わりコンテナ車による輸送が開始された。コンテナ車は鵜殿行き7両、紀伊佐野行き2両が連結されたが、1995年に荷主である巴川製紙所の工場閉鎖に伴い紀伊佐野行きの連結は廃止された。2000年8月には車掌車の連結、2002年(平成14年)3月のダイヤ改正ではタンク車の連結が廃止され、列車の編成はDD51形2両とコンテナ車7両となったが、2008年4月1日からDD51形の重連運転は廃止され、単機による牽引に替わった。なお、ダイヤ改正日の3月15日から完全に単機運転に切り替わるまでの間は、コンテナ車6両とDD51形2両の重連で運転されていた。
JR東海では、2010年秋から毎年、春・夏・秋に臨時快速「熊野古道伊勢路号」を多気駅 - 熊野市駅間で運転しているほか、毎年8月17日に行われる熊野大花火大会の開催日と翌日の未明に特急「南紀」の臨時便や臨時快速、普通列車を熊野市駅 - 名古屋駅・津駅・亀山駅・多気駅・伊勢市駅(多気駅より参宮線へ乗り入れ)・紀伊長島駅・新宮駅(きのくに線でも新宮駅 - 紀伊勝浦駅・串本駅行きの臨時列車を運行し接続)の各区間で運転している。なお、2011年までは津駅・伊勢市駅 - 熊野市駅間に臨時急行「熊野市花火」が運転されていた。
JR西日本では、大型時刻表には掲載されないが、和歌山港まつりや紀文まつりなど、夏の花火大会にあわせて臨時普通列車を運行することがある。過去には、ジョイフルトレインを活用し、1999年4月29日から9月19日にかけて行われた南紀熊野体験博にあわせて「きのくにシーサイド」が運転されていたほか、ホリデー号やレジャー号、「ぶらり海南号」「紀三井寺桜まいり号」「熊野古道ハイキング号」「紀州歴史物語号」などの臨時列車が運転されていた。 2016年10月には、「紀の国トレイナート号」が運行された。
きのくにシーサイド
名古屋駅からは伊勢鉄道経由で紀伊勝浦駅まで特急「南紀」が1日4往復運転されていて、多客期には運転本数が増発される。京都駅、新大阪駅から白浜駅、新宮駅までは特急「くろしお」が運転されている。
1978年10月2日のダイヤ改正前までは、キハ81・82系気動車を使った特急「くろしお」やキハ28・58系気動車を使った急行「紀州」、1984年2月1日のダイヤ改正まで旧型客車(スハ43系など)を使った夜行客車普通列車「はやたま」(新宮駅以西ではB寝台車も連結していた)などが名古屋駅 - 和歌山駅 - 天王寺駅間で運行されていたが、同改正以降は亀山駅 - 和歌山駅間を通して走る列車はない。
また、東京駅 - 紀伊勝浦駅間には亀山駅経由で寝台特急「紀伊」が1984年1月31日まで運行されていた。
天王寺駅(一部は南海本線難波駅)および紀伊田辺駅から白浜駅・椿駅・周参見駅・新宮駅・熊野市駅まではキハ28・58系(難波駅乗り入れ列車はキハ55系相当の南海5501・5551形)気動車を使った急行「きのくに」が運行され、新宮駅以西の電化後も1985年3月14日のダイヤ改正で運行終了する(485系電車投入および特急「くろしお」への格上げのため)まで気動車で運行されていた。
1959年の紀勢本線全線開通前の1933年から1937年には関西から白浜への温泉観光列車「黒潮号」が運転されていた。
以下の年表にて南海連絡点・紀和連絡点・国社分界点・両社分界点・南海電鉄分界点は同一地点を指す(新宮駅起点383.2km、和歌山市駅から1.0km)。
DF50形
DD13形
DD51形
DE10形
1959年(昭和34年) 7月15日:三木里駅 - 新鹿駅間 (12.3km) が開業し全通。亀山駅 - 和歌山駅(初代)間が紀勢本線となる。紀伊木本駅が熊野市駅に、相可口駅が多気駅に改称。九鬼駅 - 三瀬谷駅間で貨物営業開始。伊勢柏崎駅 - 大内山駅間で改キロ (-0.1km)。三野瀬駅・相賀駅・九鬼駅を和歌山方面に0.1km、三瀬谷駅・阿曽駅・鵜殿駅・宇久井駅・串本駅・紀伊富田駅・紀伊新庄駅・和佐駅を亀山方面に0.1kmずつ改キロ。 9月26日:伊勢湾台風により、徳和駅 - 多気駅間の櫛田川橋梁流失。同年10月17日に仮橋梁を設置して復旧。
1961年(昭和36年) 9月1日:冷水浦駅が和歌山方面に0.4km移転。 12月11日:波田須駅が開業。
1964年(昭和39年) 6月27日:紀三井寺駅 - 東和歌山駅間が複線化。 11月12日:海南駅 - 紀三井寺駅間が複線化。
1965年(昭和40年) 2月27日:大内山駅 - 紀伊長島駅間に梅ケ谷信号場が、見老津駅 - 周参見駅間に双子山信号場が開設。 3月1日:紀伊椿駅が椿駅に、白浜口駅が白浜駅に、紀伊湯浅駅が湯浅駅に改称。名古屋駅 - 天王寺駅間で特急「くろしお」が運転開始。 11月1日:梅ケ谷信号場を駅に変更し梅ケ谷駅が開業。
1966年(昭和41年) 11月1日:黒江駅が開業。 12月1日:冷水浦駅 - 海南駅間が複線化。
1987年(昭和62年)4月1日:国鉄分割民営化により亀山駅 - 新宮駅間 (180.2km) を東海旅客鉄道、新宮駅 - 和歌山市駅間 (204.0km) を西日本旅客鉄道が承継、日本貨物鉄道が亀山駅 - 紀伊佐野駅間 (188.6km)、和歌山駅 - 南海電鉄分界点間 (2.3km) の第二種鉄道事業者となる。
1989年(平成元年) 2月20日:松阪駅 - 多気駅間でワンマン運転開始。 7月22日:特急「スーパーくろしお」運転開始。「くろしお」とともに一部が新大阪駅・京都駅発着になる。新宮駅 - 和歌山駅間できのくに線の愛称が使用開始。 10月20日:和歌山駅 - 和歌山市駅間でワンマン運転開始。
1990年(平成2年)3月10日:亀山駅 - 松阪駅間でワンマン運転開始。
1993年(平成5年)3月14日:広川ビーチ駅が開業。
1996年(平成8年)7月31日:特急「スーパーくろしお・オーシャンアロー」が運転開始。
1997年(平成9年)3月8日:「スーパーくろしお・オーシャンアロー」が「オーシャンアロー」に改称。高速化が完成し、和歌山駅 - 新宮駅間で約19分の短縮。
1998年(平成10年)10月10日:海南駅周辺の連続立体交差事業が完成。
2000年(平成12年)3月11日:新宮駅 - 紀伊田辺駅間でワンマン運転開始。阪和線からの直通の快速列車が大幅に削減。
2001年(平成13年)3月3日:多気駅 - 新宮駅間でワンマン運転開始。
2002年(平成14年) 3月22日:165系の定期運用が終了。
289系を除く全列車が、吹田総合車両所の日根野支所に配置されている電車で運転されている。
283系・287系・289系 特急「くろしお」として和歌山駅 - 新宮駅間で運用されている。
223系 0・2500番台が紀伊田辺駅 - 和歌山駅間(紀伊田辺駅 - 御坊駅間は朝夕のみ)で運用されている。
225系 5000・5100番台が紀伊田辺駅 - 和歌山駅間(紀伊田辺駅 - 御坊駅間は朝夕のみ)で運用されている。113系・117系・221系の一部の運用を置き換えて2010年12月1日より運用を開始した。
227系1000番台 新宮駅 - 和歌山市駅間で運用されており、御坊駅 - 和歌山駅間は全ての列車が本系式を2本繋いだ4両編成で運用される。2019年3月16日より117系の運用を置き換えて紀伊田辺駅 - 和歌山駅間で、同年6月1日より105系4扉車の運用を置き換えて和歌山駅 - 和歌山市駅間で、運用を開始した。2021年3月13日より新宮駅 - 紀伊田辺駅間でも運行を開始した。2019年3月16日から2021年3月12日まではドアが通年半自動扱いだった。
283系「くろしお」
223系0番台
225系5000番台
227系1000番台
キハ10系
キハ20系
キハ30系 長距離運用にも用いられる関係からキハ10系やキハ20系などクロスシート車との併結で運用されたが、末期には本形式のみでの長編成運用があった。
キハ40系
キハ45系
キハ55系
キハ58系
キハ65形
キハ81・82系 キハ81は特急「くろしお」、キハ82は特急「くろしお」「南紀」で運用。キハ81・82の両形式とも特急運用で最後の定期運用路線となった。
キハ5501・5505形(南海直通列車・南海電気鉄道保有)
キハ58(有田鉄道直通列車・有田鉄道保有)
キハ11形 参宮線直通などの短距離列車には主に0番台や100番台、紀勢本線多気以南発着などの長距離列車にはトイレのある300番台とトイレのない他番台の車両が組み合わされて運用されていた。
キハ85系 特急「南紀」として津駅 - 紀伊勝浦駅間で運用されていた。