山陽本線
網干駅:北沢産業網干鉄道
網干駅:播電鉄道
有年駅:赤穂鉄道
和気駅:同和鉱業片上鉄道
東岡山駅:西大寺鉄道
笠岡駅:井笠鉄道本線
福山駅:鞆鉄道線
尾道駅:尾道鉄道
広島駅:宇品線
岩国駅:岩国電気軌道
防府駅:防石鉄道
新山口駅:大日本軌道山口支社線
宇部駅:船木鉄道
小月駅:長門鉄道
幡生駅:山陽電気軌道
下関駅:山陽電気軌道
姫路駅 - 英賀保駅間にある手柄山中央公園(姫路市西延末)近くに新駅を設置する計画がある。2026年春に開業する予定。2021年1月14日にはJR西日本が近畿運輸局に駅設置の認可申請をした。手柄山中央公園には1974年まで姫路モノレールが運行されており、同モノレール以来の鉄道によるアクセス手段となる。
下関駅 - 門司駅間はJR九州区間となる。下関駅を出ると車両基地である下関総合車両所運用検修センターと貨物駅に挟まれる形で進み、運河を渡った先の彦島で関門トンネルに入り関門海峡の下を通過する。トンネルを出ると本州から九州に入って北九州市となり、鹿児島本線の上下線の間に出て同線と合流し、山陽本線の終点である門司駅に至る。関門トンネルの門司側の出入り口にはデッドセクションがあり、直流・交流の転換を行う(「運行形態」の節も参照)。なお貨物線は坂道での停止を防ぐため、旅客線より小倉側にデッドセクションが設置されている。
毎週水曜日(多客期や祝日と重なる場合などを除く)は保守点検の時間を確保するため、以下の区間・時間帯でおよそ1時間は運休している(2015年3月14日現在)。
岡山駅 - 糸崎駅間:2往復
山口地区では、保守点検に伴い、列車を区間運休する日がある。その場合は運休区間で代行バスを運行している。
岡山駅 - 糸崎駅間では、普通が1時間に3本、糸崎駅 - 三原駅間では1時間に4本運転されている。2014年3月15日のダイヤ改正で福山駅で乗り換えとなる場合が発生した。朝夕ラッシュ時は6・7・8両での運転もあるが、日中は115系電車3・4両編成での運転が主体となる。快速「マリンライナー」から転用された213系電車も使用されるほか、岡山駅 - 福山駅間では福塩線への車両送り込みのため105系電車で1往復運転されている。岡山以東(赤穂線を含む)と直通運転する列車も多い。以前は呉線経由を含め広島方面への直通列車が多数設定されていたが、2020年3月14日ダイヤ改正で廃止され、全列車が糸崎駅または三原駅で乗り換えとなっている。2021年3月13日ダイヤ改正で白市駅から糸崎駅の列車削減に伴って、糸崎駅から三原駅までの列車の本数が削減された。
岡山駅 - 倉敷駅間では伯備線からの直通列車が1時間に2本程度運転されており、ワンマン運転を行う列車がある。福塩線への車両送り込みのため岡山駅 - 府中駅間の直通列車も下り1本(和気始発)・上り2本設定されている。
岡山駅 - 福山駅間では117系電車による快速「サンライナー」が運転されていた。1999年12月4日からワンマン運転を開始し、4両編成で運転されていた。2019年3月16日のダイヤ改正以降は夕方以降を中心に運転されていた。2022年3月12日のダイヤ改正で廃止された。
笠岡市に入って、工場や商業施設が国道2号沿いに立ち並んでいるのを見ながら走り、左手に笠岡港が見えると笠岡駅である。次の大門駅から広島県に入る。
貨物ターミナル併設の東福山駅を過ぎ、3階を新幹線、2階部分を在来線が走行する二重高架区間となり福山城が迫ると広島県東部の拠点都市である福山市の中心駅福山駅に到着する。福山駅は山陽新幹線との乗り換え駅で、福塩線が分岐するほか、井原鉄道の一部列車も乗り入れる。芦田川を渡り市街地をしばらく進むと、周辺の景色は田園地帯になり、山陽新幹線が福山トンネルに入るあたりで備後赤坂駅を経て、1966年まで存在した旧松永市の中心駅・松永駅へ。しばらく宅地化の進む中を走って東尾道駅を過ぎる。
三原駅までは海の見える区間が長く続き、中でも尾道市にある急斜面の石段と伝統的な街並みに、しまなみ海道の橋梁を望む情景は、しばしば観光パンフレットの題材に使われる。
尾道の市街地が途切れて三原市に入る。糸崎港が見えてくると糸崎駅である。糸崎駅は運転上の要衝で、岡山方面や広島方面からの列車が折り返す。次の三原駅では呉線が分岐する。
2001年3月3日に「山陽シティライナー」が運転を開始して以来、運転区間を年々拡大し、かつては下関発三石行きの普通列車があり、運行距離が 425.7km で、普通列車では日本最長であった。
三石駅直通列車が廃止されてから2009年3月までは、下関駅 - 岡山駅間を運行する列車が普通列車では日本最長の 384.7km になった。以後は新山口までの 315.8kmと短縮し、2015年3月14日のダイヤ改正でさらに徳山まで区間短縮となりこの時点で最長距離普通列車の座を根室本線の「滝川発釧路行普通2427D列車」に譲った。
2016年3月26日のダイヤ改正で再び岡山発下関行きの普通列車が1本(369M)復活し、最長距離普通列車となったが、翌2017年3月4日に糸崎発下関行きに短縮されたため再び滝川発釧路行2427Dに最長距離の座を譲った。ただし2427Dは根室本線が台風により一部区間が不通となっているため、新得発釧路行きでの運転となっており、実際に運転している距離は369Mのほうが長い。
2019年3月16日のダイヤ改正で、369Mは糸崎発岩国行きにさらに短縮されたため、快速・新快速を含めば最長距離普通列車は敦賀発播州赤穂行きの新快速3527M(土休日は3407M・3527Mの2本) 275.5 kmとなっている。
2020年3月14日のダイヤ改正にて369M列車は時刻表上から消滅した。
定期普通列車(快速含む)はこの区間のすべての旅客駅に停車。
この区間は全駅広島県に所在。
駅ナンバーは2020年9月より順次導入。
↑ 赤穂線の正式な起点は相生駅だが、播州赤穂からの列車はすべて姫路駅へ乗り入れる
1 2 赤穂線の正式な終点は東岡山駅だが、運転系統上は岡山駅へ乗り入れる
1 2 伯備線の正式な起点は倉敷駅だが、運転系統上は岡山駅へ乗り入れる
↑ 宇野みなと線と瀬戸大橋線は宇野線 岡山駅 - 茶屋町駅間で重複。
以下の駅以外は無人駅
直営駅(2駅) 糸崎駅・三原駅
業務委託駅 JR西日本中国交通サービス(2駅) 本郷駅・白市駅