鹿児島本線
蒸気動車運転開始(吉塚-二日市間)。 12月3日:小倉駅 - 戸畑駅間(現在の小倉駅 - 西小倉駅間の地点)に紫川仮信号場が開設。 12月8日:折尾駅 - 遠賀川駅間が複線化。
1914年(大正3年)4月25日:紫川仮信号場が廃止。
1917年(大正6年) 8月10日:箱崎駅 - 吉塚駅間が複線化。 9月17日:富野信号所を富野連絡所に改称。
1919年(大正8年) 2月1日:小倉駅 - 戸畑駅間に上戸畑信号所が開設。 10月15日:博多駅 - 二日市駅間が複線化。
1920年(大正9年) 6月10日:二日市駅 - 原田駅間が複線化。 10月1日:筑前新宮駅(現在の福工大前駅)が開業。 11月15日:福間駅 - 古賀駅間が複線化。
1921年(大正10年) 1月26日:古賀駅 - 筑前新宮駅間が複線化。 4月1日:原田駅 - 木山口信号所間、田代駅 - 鳥栖駅間が複線化。 7月1日:東郷駅 - 福間駅間が複線化。 7月5日:木山口信号所 - 田代駅間が複線化。 8月1日:筑前新宮駅 - 香椎駅間が複線化。 8月5日:木山口信号所を駅に変更し基山駅が開業。 10月1日:香椎駅 - 箱崎駅間が複線化。 12月1日:赤間駅 - 東郷駅間が複線化、門司駅※ - 鳥栖駅間の複線化完成。
1922年(大正11年) 4月1日:信号所・連絡所を信号場に改称。 5月1日:黒崎 - 折尾間に陣原信号場(のちの陣ノ原駅)が開設。
1923年(大正12年)8月15日:八幡駅 - 黒崎駅間に前田仮信号場が開設。
1925年(大正13年)3月6日:黒崎駅 - 折尾駅間の陣ノ原信号場が廃止。
福岡市と大牟田市の間では鹿児島本線に並行して西日本鉄道(西鉄)の天神大牟田線が敷かれている。西鉄を利用した場合、福岡市の中心部である天神へ直接行くことができる。また、西鉄特急は特別料金が不要で、普通乗車券もしくは定期乗車券のみで乗車することができる。これに対し、長崎本線・久大本線への直通列車を除いた博多以南のJR線は、概して天神大牟田線より運行本数が少なく、運賃も福岡 - 久留米間や福岡 - 大牟田間などでは天神大牟田線に比べて割高で、所要時間も西鉄特急と比べて長いなど、もともと利便性の面でやや不利な状況であった。さらに、2018年3月17日のダイヤ改正で福間駅 - 二日市駅間以外の快速運転列車が大幅に削減され、特に羽犬塚以南では日中の博多方面との直通列車がなくなったため、利便性の低下が顕著となった。また、JRと西鉄で別々の場所に中心となる駅が設けられている都市の場合、西鉄の駅の方が概ね栄えた場所に位置し、乗降客数も西鉄駅の方がJR駅を上回ることが多い。
本路線と西鉄天神大牟田線は、大牟田駅以外では同居駅は存在しない。このため、両路線の相互の乗り換えの利便性はあまり良くないが、駅が近接している例も多く、徒歩で乗り換えが可能な場合もある。
鹿児島都市圏の地域輸送を担う区間で、使用車両はすべて817系となっており、普通列車は約8割が2両編成で、朝夕は2編成連結の4両編成による列車も数本あり、いずれもワンマン運転である。なお、ワンマン列車でも、運転扱いこそ行わないが特別改札や乗客への案内を行うために、車掌が乗務する場合がある。
昼間は1時間あたり鹿児島中央駅 - 川内駅間の直通が1本(時間帯により2時間近く開く場合あり)、鹿児島中央駅 - 伊集院駅間は区間運転を含めて2本程度運行されている。朝夕の通勤通学時間帯は串木野駅折り返し列車も運転され、1時間あたり鹿児島中央駅 - 串木野駅・川内駅間で2 - 3本程度、鹿児島中央駅 - 伊集院駅間では3 - 4本程度運行されている。多くの列車は鹿児島中央駅発着となっているが、鹿児島駅発着列車や日豊本線国分駅・都城駅・宮崎駅発着の設定もある。川内駅 - 隈之城駅間には肥薩おれんじ鉄道線から直通する普通列車が設定されている。
九州新幹線開業後、串木野駅 - 川内駅間は普通列車に限り日中の本数は半減(全体の本数も若干減っている)したものの、その分夜間・深夜の運転本数が増えた(川内発最終列車:新幹線開業前21時台半ば→開業当時23時台後半、2023年3月改正時点22時37分発)。最終列車の川内駅終着時刻は特急「ドリームつばめ」を除き、九州新幹線開業以前まで日付を跨ぐことはなかった(川内駅終着時刻:新幹線開業前23時54分→開業当時0時30分、2023年3月改正時点0時21分)。鹿児島中央駅からの串木野駅折り返し列車は九州新幹線開業後に新設された。
熊本県内の地域輸送を担う区間で、主に815系や817系の2両編成・821系の3両編成での運行だが、朝夕の通勤・通学ラッシュの時間帯では、815系や817系の4両編成での運行もあり、いずれも車掌が乗務しないワンマン運転である。なお、運転扱いこそ行わないが特別改札や乗客への案内を行うために、ワンマン列車でも車掌が乗務する場合がある。日中の普通列車は、2018年3月16日までは銀水駅または鳥栖駅まで乗り入れ、一部は荒尾駅で博多方面の快速列車と接続するダイヤになっていた。2018年3月17日のダイヤ改正からは、博多方面の快速が久留米駅止まりとなる代わりに日中の銀水駅発着列車が区間快速(銀水は通過、大牟田以南は各駅に停車)として鳥栖駅まで運転され、博多方面の快速と熊本方面の区間快速が久留米駅または鳥栖駅で接続するようになった。2022年9月23日のダイヤ改正以降、日中時間帯の運行本数は、玉名駅以南が毎時2本程度、玉名駅以北が1時間あたり1本程度となっている。このほか熊本駅 - 宇土駅間には三角線直通の気動車による普通列車が毎時1本程度、新八代駅 - 八代駅間には肥薩線・肥薩おれんじ鉄道線と直通する普通列車もあり、この区間では毎時3本程度となる。
特急列車は、熊本駅 - 八代駅間では、肥薩線直通特急の観光特急「かわせみ やませみ」3往復(1・2号を除き全車指定席)、「いさぶろう」「しんぺい」1往復の運行があった。
古賀駅を発車しても、直線が続く。その途中でししぶ駅へ到着する。駅開業から日が浅いため、駅周辺には比較的人気の少ない閑静な住宅街が広がり、開発途中の場所も所々で見られる。博多側には工場や発電所が軒を連ねる。駅前の西口はミニバスなどののりばや駐輪場が整備されているが、東口の方はまだ整備の途中段階にある。
ししぶ駅を発車し、その後緩やかに右へ曲線を描き、新宮町へ入ると国道495号に接近する。新宮町の中心部に入ると新宮中央駅に到着する。その後は再び直線が続き福岡市東区に入った直後に福工大前駅へ到着する。この辺りから市街集積化の進行が顕著になり、駅周辺は高層マンションが増えてきている。
福工大前駅を発車すると、ゆるやかに左へ曲がり、右手の和白通り(国道495号)と並走する。和白通りと完全に並走し始めると、まもなく右後方から左前方へと走る香椎線の跨線橋を潜る。香椎線はいったん左へ離れるが、ほぼ並走状態となる。和白通りとは引き続き並走し、香椎線がやや鹿児島本線に接近してくると、九産大前駅である。すぐ横を香椎線が通っているがホームはない。
九産大前駅を出ると、左手に同駅の駅名の由来となった九州産業大学を見つつ、まもなく一旦離れていた香椎線の単線が接近した後に完全に並走し、複々線状態となる。そのまま国道3号を潜り、福岡県道504号町川原福岡線を潜ると、まもなく香椎駅へ到着する。福岡市内のJR九州の駅では博多駅に次ぐ規模であり、福岡の副都心として発展している。また、150メートルほど西には西鉄香椎駅がある。
ワンマン運転の普通列車(2両編成)の乗車方法であるが、2006年(平成18年)3月17日まで有人駅での営業時間外の停車時および無人駅に関しては、前の車両のドアのみ開き(中扉は開かず・後ろ乗り前降り)、乗車時には整理券を取り、下車時には乗車券等を整理券とともに運転士に渡す必要があったが、翌3月18日のダイヤ改正後より、すべての駅で列車のホーム側のすべてのドアから乗り降りできる都市型ワンマンになった。
特急「ドリームつばめ」廃止時に、代替として鹿児島中央発最終の川内行き快速列車(当初は途中伊集院駅までの各駅と湯之元駅、串木野駅に停車。鹿児島中央始発23時50分、川内終着0時30分。後に市来駅が停車駅に加わり、川内終着0時33分に変更)が設定されたが、2007年3月18日の改正で各駅に停車する普通列車に変更された(鹿児島中央始発23時50分、川内終着0時39分。鹿児島県内ではもっとも遅い終着となった)。
2011年3月12日改正では従来運行されていた「さわやかライナー」・「ホームライナー」が特急に格上げされ「川内エクスプレス」となり 特急列車が復活したが、2016年3月26日改正で廃止された。また、2008年3月15日のダイヤ改正から肥薩おれんじ鉄道線直通の快速「オーシャンライナーさつま」が土日祝日や多客期に2往復(出水駅 - 鹿児島中央駅間)、肥薩おれんじ鉄道に所属する1両編成の気動車で運転されていたが、こちらも2019年3月16日のダイヤ改正で川内駅発着となり、当線内での運行が休止された。以降はすべての旅客列車が各駅停車の普通列車となっている。
北九州市内区間では、日中時間帯1時間あたり、筑豊本線・篠栗線(福北ゆたか線)直通の小倉駅・門司港駅 - 直方駅間の列車が1本運行されている。この区間で各駅に停車する区間快速とあわせて、各駅に停車する列車の運行は実質3本である。なお、折尾駅と周辺の大改造工事による影響で、日中福北ゆたか線直接乗り入れの列車が姿を消し、赤間駅経由の博多駅以南と直通する列車に置き換えられた時期があった。
折尾駅 - 福間駅間には、博多駅 - 海老津駅間各駅停車の区間快速が設定されていた。
博多駅を挟む区間ではおおむね1時間あたり2 - 3本が確保されており、区間快速の各駅停車区間と併せて運転されている。博多駅 - 吉塚駅間には朝に上り吉塚行きが1本のみ885系で運行されている(肥前鹿島駅始発で博多駅まで特急「かささぎ」として運行。自由席グリーン車連結で券は車内販売)。長崎本線・佐世保線との直通列車も設定されている。
鳥栖駅 - 荒尾駅間では1時間あたり2本運行されている。2011年3月11日までは1時間あたり2本が運行されていたが、2011年3月12日のダイヤ改正で快速の増便に伴い1本削減された。その後、2022年9月23日のダイヤ改正で1時間あたり2本の運行に戻った。門司港駅 - 折尾駅間(福北ゆたか線直通に限る)、鳥栖駅 - 荒尾駅間ではワンマン運転(都市型ワンマン)を行っている。また、鳥栖駅始発・終着の久大本線直通列車が朝にそれぞれ1本ずつ設定されている(キハ220系)。
2023年3月18日改正ダイヤの日中の各区間における1時間あたりの平均的運転本数は以下の通り。
※下関 - 小倉間は毎時2 - 4本、門司港 - 小倉間は毎時2 - 5本運転
大牟田駅を出ると、左手に大牟田オフレールステーションの敷地が広がる。しばらくはマンションが林立する風景が続くが、間もなく一戸建てを中心とした住宅街となる。諏訪川を渡り、左手に国道208号及びロードサイド店舗、右手に住宅街という風景がしばらく続く。住宅街が途切れることなく熊本県荒尾市に入り、旧三井三池専用鉄道(廃線)を潜ると、間もなく荒尾駅に到着する。大牟田市と荒尾市は同一都市圏(大牟田都市圏)に属し市街地も連坦しているなど密接な繋がりを持つため、県境を跨いだ利用客も多い。
荒尾駅を出ると、国道208号が接近する付近から左手に市道が分岐していくのが見えるが、これは荒尾市営電気鉄道の跡である。しばらくは住宅街が続くが、次第に農地などが目立つ風景に変わってくる。国道389号を潜って、その直後から左側に同国道が並行し、右手に有明海の堤防が走る区間に入ると、間もなく南荒尾駅に到着する。南荒尾駅を出てもしばらくは同様の風景が続き、そのまま玉名郡長洲町に入る(国道に設置された案内標識を車窓左手から確認できる)。国道389号との並行区間が踏切とともに終わると同時に、それまでほぼ南方向に向かっていた列車は南東方向に大きく左に曲がり、陸橋を潜ってやや右に曲がると長洲駅に到着する。