国鉄時代は、ほぼ全線を通して運転されるような長距離列車が多く見られたが、現在はおおむね下記の区間に細かく運転系統が分かれている。
なお、京都 - 園部間を除きほとんどの区間の各駅停車や快速列車でワンマン運転を行っている。
京都 - 園部間
嵯峨野線の愛称がある。アーバンネットワーク圏内のため旅客数・列車本数とも多いが、一部を除き、ほとんど単線であるため、朝ラッシュ時の輸送力は飽和状態に近い。中には、単線区間における列車行き違いを亀岡駅から日吉駅まで8駅連続で行う列車もある。現在、2010年春の完成を目指して京都 - 園部間の完全複線化工事中である。
園部 - 福知山間
電化および高速化工事が行われ、特急の所要時間は短縮された。しかし、普通列車は行き違いや追い抜きのための停車時間が長くなり、また、区間内ではカーブが多く、速度制限があるため、所要時間はあまり短縮されていない。なお、綾部駅 - 福知山駅間は舞鶴線・小浜線方面と福知山線の連絡のため、「特急リレー号」も運行されている。運行本数は毎時1 - 2本程度。普通列車は一部を除きワンマン運転を実施している。
福知山 - 豊岡・城崎温泉間
福知山線の延長的存在として京都 - 園部間よりも早く電化されて、大阪・京都方面からの特急が輻輳している。しかし、高速化改造されておらず、主に福知山 - 上夜久野間では急曲線も連続することから特急も速度を落として運転している。この区間には対向列車待ち合わせのための宿南信号場がある。かつては大阪からロングランで直通する普通列車もあったが、現在は存在しない。和田山以北では播但線の特急も乗り入れている関係や、観光シーズンになると臨時列車の運行や乗降に時間を取られ、遅延が発生することが多い。この区間は毎時1 - 2本程度運行されている。普通列車は一部を除きワンマン運転を実施している。早朝に豊岡からの城崎温泉方面の列車がある。ラチス式桁（格子状桁）
城崎温泉（豊岡） - 浜坂間
城崎温泉駅から先は非電化となり、一層ローカル色が濃くなる（本数も1 - 2時間に1本程度）。また、日本で3か所に現存するラチス式桁を持つ竹野川橋梁があり、浜坂駅手前の田君川橋梁もラチス桁が残っている。途中には余部橋りょうがある。この区間には対向列車待ち合わせのための相谷信号場がある。普通列車は一部を除きワンマン運転を実施している。
浜坂 - 鳥取間
県境を挟むこともあり、特急「はまかぜ」（1往復）を除けば、1・2両編成の普通列車が走るのみである。キハ33形気動車・キハ47系気動車・キハ126系・キハ121系気動車が走る。普通列車は一部を除きワンマン運転を実施している。この区間にはスイッチバック式停車場となっている滝山信号場があるが、現在では対向列車待ち合わせの用途には使用されていない。山陰本線を走る列車
鳥取 - 米子間
高速化工事が行われ、鳥取県内の都市間輸送を担うこともあり、特急を補完する目的で快速とっとりライナーが運転されている。倉吉乗り換えとなる列車も多い。途中の伯耆大山駅から電化区間となる。
米子 - 出雲市間
電化区間であるが、普通列車の半数近くは気動車で運転されていて、毎時1本程度は運行されている。電車列車は一部伯備線に直通し、特急「やくも」なども乗り入れる。平日は上りのみ通勤ライナーの運転もある。
出雲市 - 益田間
近年高速化工事が行われ、島根県内の都市間輸送を特急と共に行う目的で快速アクアライナーが運行されている。普通列車は浜田・江津で乗り換えとなるものが多く、浜田以西は普通列車の運行本数が極端に少ない。2006年7月18日から2007年6月15日まで三江線が不通になっていた関係で、1往復の列車が運休していたが同線の運行再開に伴い該当列車も運行を再開。さらに、1往復のみだが三江線直通の普通列車も運行を開始した。
益田 - 長門市間
島根と山口の県境を挟むこの区間は山陰本線の中でもとりわけ乗客・本数ともに少なく、2時間に1本程度で、木曜日に運転しない列車もある。多くの列車が益田 - 長門市間の運転となるが、一部は奈古・東萩 - 長門市の運転となっている。益田以西は優等列車がなく、ほとんどが単行によるワンマン運転となっている。この区間は主に海岸線に沿って走るため、車窓からの風景は非常に良い。特に須佐 - 宇田郷間にかかる惣郷川橋梁は日本海に注ぐ惣郷川河口にあるため、鉄道の撮影ポイントとしても有名である。
長門市 - 下関間
山陰本線は幡生駅までだが列車は下関駅まで運転される。この区間は輸送力が低いとされ、かつては急行「あきよし」「さんべ」などのように長門市駅で分割し美祢線経由で運転されるものもあった。下関市域、特に小串以南は北九州都市圏（関門都市圏）の都市圏輸送を担っていることもあって、本数や両数が増える傾向にあり、毎時1本程度は運行されている。一部は関門トンネルを抜けて門司駅・小倉駅など北九州に直通する列車もあったが、2005年10月のダイヤ改正をもってJR西日本管内とJR九州管内を結ぶ直通普通列車は全廃されており、現在は下関折り返しのみの運行となっている。2007年7月1日から観光列車「みすゞ潮彩」が走っている（土日祝日のみ快速運転）。
長門市 - 仙崎間（仙崎支線）
観光列車「みすゞ潮彩」（下関方面直通）を除く全列車がワンマン運転で、一部の線内折り返し列車を除き美祢線と直通運転する系統が基本である。これは仙崎支線は美祢線と直通することが前提の路線接続になっているからである。実際、仙崎支線の開通当初は美祢線の貨物支線であった。
以前は、京都・大阪あるいは東京方面と鳥取以西とを結ぶ列車は山陰本線の和田山 - 鳥取間を経由するか、東京方面の場合津山線・因美線を使った岡山経由がメインルートであったが、智頭急行が開業してからは智頭急行線を使うルートに取って代わられた。現在、京都・大阪からの特急はほとんどが電車であり城崎温泉までの運転である。京都 - 鳥取間には下記の列車が走っている。そのうち福知山駅は北近畿ビッグXネットワークの中心部分にあたる（定期列車・山陰本線経由分のみ記載。山陰本線以外の駅名のみリンク。以下同じ。夜行列車は後述）。鳥取 - 益田間は近年の高速化工事等により、新型車両の特急を登場させるまでに至ったが、その一方で益田 - 幡生間は「いそかぜ」廃止以降、優等列車はゼロとなった。
